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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
LIGAS MAGNÉTICAS À BASE DE FeCo PROCESSADAS VIA MOLDAGEM DE PÓS
POR INJEÇÃO
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA À UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
ALINE SILVA
FLORIANÓPOLIS, JULHO DE 2008
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I
LIGAS MAGNÉTICAS À BASE DE FeCo PROCESSADAS VIA MOLDAGEM DE PÓS
POR INJEÇÃO
ALINE SILVA
ESTA DISSERTAÇÃO FOI JULGADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM
CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
ESPECIALIDADE CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS E APROVADA EM SUA FORMA
FINAL PELO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
____________________________________ Prof. Paulo A. P. Wendhausen, Dr.-Ing
Orientador – PGMat - UFSC
____________________________________ Prof. Carlos A. S. de Oliveira, Dr. Eng.
Coordenador – PGMat - UFSC
BANCA EXAMINADORA
____________________________________ Prof. João Cardoso de Lima, Dr.
Presidente
____________________________________ Prof. ª.Maria Luisa Sartorelli, Dr.
Membro
____________________________________
Prof. Nelson Jhoe Batistela, Dr.Eng. Membro
II
Aos meus Pais, Antonio e Jurema.
Meus irmãos Alekçandro e Cristiane.
Ao meu amor, Valter.
III
Agradecimentos
Agradeço a Deus pelo objetivo alcançado.
Ao Professor Paulo Antonio Pereira Wendhausen, pela orientação, incentivo,
investimento, tempo e paciência que contribuíram para a conclusão do trabalho.
À empresa Steelinject, em nome dos senhores Waldir Ristow, Ricardo Machado e
Matheus Amorim pelo fornecimento de materiais para a pesquisa e pela disponibilidade de
equipamentos para processamento e análises.
Ao professor Nelson Jhoe Batistela do laboratório GRUCAD e os seus alunos Maurício
Rigonni e Marcelo Anjos pelo auxilio na caracterização das amostras.
Aos colegas do laboratório Juliana, Leonardo, Wagner, Paulo, Marco, Cristiano, Martin,
Robin, Douglas pela disposição em ajudar e pelos momentos de descontração.
Aos alunos de graduação Ana Paula, Kaline, Rafaela, Hellen e Renan que se
envolveram e auxiliaram na execução dos ensaios e um agradecimento especial ao Jaime A.
Lozano, companheiro na produção de artigos.
À minha família e amigos, pelo suporte psicológico, pelo carinho e paciência.
E a todos aqueles que, de maneira direta ou indireta, contribuíram para a minha
formação e a realização deste trabalho.
IV
Resumo
Diferentes métodos de processamento de ligas à base de FeCo através da técnica de
moldagem de pós por injeção foram estudados com o intuito de otimizar propriedades finais e
reduzir o custo de produção. Os fatores analisados foram o uso de pós metálicos na condição
elementar e pré-ligada; a introdução do elemento vanádio na liga de FeCo; a análise de duas
rotas distintas de extração e sinterização, e por último foram caracterizadas as propriedades
magnéticas, mecânicas e elétricas. Os resultados mostraram que o uso do pó na forma
elementar permite atingir valores mais altos de densidade, mais adequados para as
propriedades magnéticas moles e representa uma redução de custo de material e de
processamento para a liga de FeCo. A liga com o elemento vanádio possui propriedades
magnéticas inferiores à liga de FeCo quando aplicada freqüência de 0,05 Hz, porém, com o
aumento da freqüência, esse resultado é invertido. Esse comportamento é atribuído à
resistividade elétrica das ligas de FeCo2V, que apresentaram valores em torno de uma ordem
de grandeza maior que a liga de FeCo. Apesar da liga de FeCo não apresentar problemas no
processamento devido a sua fragilidade, a adição do elemento vanádio resulta em um aumento
de 100% na resistência mecânica. Em relação a custos, a rota de processamento que
apresenta as melhores propriedades indica que com o uso de pós elementares, possivelmente
uma etapa do processamento poderá ser eliminada. O custo dos pós elementares de Fe e Co é
aproximadamente 50% menor que o dos pós pré-ligados FeCo e FeCo2V, e o uso de pós
elementares ainda permite o processamento através da rota de menor custo. Foi possível
concluir que todos os fatores analisados possuem influência nas propriedades finais das ligas e
que o custo de processamento pode ser adequado a cada caso, de acordo com as
propriedades requeridas em uma dada aplicação.
Palavras chave: Moldagem de pós por injeção. Ligas magnéticas moles. Ligas à base
de FeCo.
V
Abstract
Different processing methods for FeCo-based alloys were tested for use in the injection
molding manufacturing technique, aiming at optimization of the properties of the final product as
well as cost reduction. The following parameters were analyzed: the use of either elemental or
pre-alloyed metallic powders as precursors; the insertion of vanadium in the FeCo alloy; and
two distinct routes for extraction and sintering of molded test parts. The magnetic, mechanical
and electrical properties for each set of parameters were characterized. It is shown that the use
of elemental powders yield molded objects with higher densities, more suited for soft magnetic
applications. Furthermore, it represented a reduction of material and processing costs for the
FeCo alloy. Alloys containing vanadium showed inferior magnetic properties at 0.5 Hz, when
compared to the pure FeCo alloy. However, for higher frequencies, this relation is inverted, what
can be related to the resistivity of FeCo2V, which is about an order of magnitude higher than in
the FeCo alloy. FeCo alloys did not show any problem during processing, although addition of
vanadium increased by 100% the mechanical strength of the molded parts. Considering the
costs, there is an indication that, by using elemental powders, one step of the fabrication
process could be eliminated. In conclusion, the use of elemental powders, besides being 50 %
cheaper than the pre-alloyed FeCo or FeCo2V powders, also enable the use of a less costly
processing route. It was also shown that all analyzed parameters do have an influence on the
final properties of the alloys, and therefore, it is important to adequate the processing route to
the properties required in each particular application.
Key words: Powder injection molding. Soft magnetic alloys. FeCo based alloys
VI
Sumário
1. Introdução .........................................................................................................................2 2. Objetivos ...........................................................................................................................4
2.1. Objetivos específicos ....................................................................................4 3. Revisão da literatura.........................................................................................................6
3.1. Materiais magnéticos moles à base de Fe e Co...........................................6 3.1.1. Aplicações para as ligas à base de FeCo.......................................................................16
3.2. Processamento via moldagem de pós por injeção ..................................17 3.2.1. Os pós metálicos ................................................................................................................21 3.2.2. Mistura para injeção ...........................................................................................................23 3.2.3. Moldagem por injeção........................................................................................................24 3.2.4. Extração do ligante.............................................................................................................25 3.2.5. Sinterização .........................................................................................................................28
4. Materiais e Métodos........................................................................................................32 4.1. Processamento ............................................................................................32
4.1.1. Materiais utilizados .............................................................................................................32 4.1.2. Preparação da massa de injeção.....................................................................................35 4.1.3. Injeção das peças...............................................................................................................36 4.1.4. Extração química dos ligantes por solvente ...................................................................37 4.1.5. Extração térmica com pré-sinterização e sinterização em forno a vácuo..................37 4.1.6. Extração termoquímica com atmosfera oxidante e sinterização em forno mufla .....39
4.2. Métodos de caracterização .........................................................................40 4.2.1. Caracterizações preliminares ...........................................................................................40 4.2.2. Propriedades elétricas .......................................................................................................42 4.2.3. Propriedades magnéticas..................................................................................................43 4.2.4. Propriedades mecânicas ...................................................................................................45
5. Resultados e discussões ...............................................................................................46 5.1. Caracterizações preliminares .....................................................................46
5.1.1. Densidade das misturas para injeção ............................................................................46 5.1.2. Retração dimensional ........................................................................................................46 5.1.3. Densidade das amostras sinterizadas ............................................................................48 5.1.4. Análise microestrutural ......................................................................................................51 5.1.5. Análise térmica....................................................................................................................55
5.2. Propriedades elétricas.................................................................................57
5.3. Propriedades magnéticas ...........................................................................59 5.3.1. Material referência (2V Permendur) ................................................................................59 5.3.2. Rota de extração térmica com pré-sinterização e sinterização em forno a vácuo. ..60 5.3.3. Rota de extração térmica com atmosfera oxidante e sinterização em forno mufla..72
VII
5.4. Propriedades mecânicas.............................................................................76 5.4.1. Rota de extração térmica com pré-sinterização e sinterização em forno a vácuo ...76 5.4.2. Rota de extração térmica com atmosfera oxidante e sinterização em forno mufla..79
6. Estudo de Caso: Processamento de ligas à base de FeCo via MPI para aplicação em válvulas magnéticas de motores a diesel. ............................................................................81
6.1. A aplicação...................................................................................................81
6.2. Materiais analisados....................................................................................82
6.3. Resultados obtidos......................................................................................83 6.3.1. Rota de extração térmica com pré-sinterização e sinterização em forno a vácuo. ..83 6.3.2. Rota de extração térmica com oxidação e sinterização em forno mufla....................88
6.4. Conclusões do estudo de caso ..................................................................91 7. Conclusões .....................................................................................................................93 8. Sugestões de trabalhos futuros.....................................................................................95 9. Referências .....................................................................................................................96 10. Apêndice – Definições de algumas propriedades magnéticas....................................99
VIII
Lista de Figuras
Figura 2.1 – Análises realizadas no presente trabalho................................................................5
Figura 3.1 – O momento magnético do ferro e cobalto nas ligas binárias Fe1-xCox e a saturação
de magnetização das ligas em função da composição. (Sourmail, 2005) ....................................7 Figura 3.2 - Indução de saturação do ferro com diferentes elementos de liga (Metals
Handbook, 1985). .......................................................................................................................8 Figura 3.3 - Permeabilidade magnética do ferro com o acréscimo do elemento cobalto (Bozorth,
1951). .........................................................................................................................................9 Figura 3.4- Diagrama de fases do sistema ferro/cobalto (Sourmail, 2005). ...............................11
Figura 3.5 - Estruturas formadas nas ligas à base de FeCo......................................................11
Figura 3.6 - Momento de saturação em função da temperatura para liga ordenada (linha cheia)
e desordenada (linha tracejada) (CLEGG e BUCKLEY, 1973)..................................................12 Figura 3.7 - Resistividade da liga FeCo em função da adição de elemento de liga (Chen,
1977). .......................................................................................................................................13 Figura 3.8 - Diagrama de fases do sistema ferro, cobalto e vanádio (Martin e Geisler, 1952). ..13
Figura 3.9 - Exemplos de peças fabricadas pelo processo MPI (GERMAN, 2003). ..................18
Figura 3.10 – Funcionamento da válvula magnética da bomba de injeção (Bosch CD-ROM,
1999). .......................................................................................................................................20
Figura 3.11 – Peça de FeCo2V componente da válvula magnética pertencente a bombas de
injeção. .....................................................................................................................................20 Figura 3.12 - Determinação da fração volumétrica de sólidos crítica. (GERMAN e BOSE, 1997).
.................................................................................................................................................24 Figura 3.13 - Material após a extração total do ligante e após formação dos primeiros contatos
entre as partículas. ...................................................................................................................26 Figura 3.14 –Mecanismo de oxidação nas ligas de FeCo2V ( SUNDAR e DAVI, 2004)...........27
Figura 4.1 – Pós elementares e pré-ligados utilizados para produção das amostras. ...............33
Figura 4.2 – Corpos de prova processados via MPI..................................................................36
Figura 4.3 - Ciclo de ETP e sinterização em FV........................................................................38
Figura 4.4 – Ciclo com tratamento térmico de resfriamento otimizado. .....................................38
Figura 4.5 - Ciclo de ETO e sinterização em FM.......................................................................39
Figura 4.6 - Equipamento utilizado para análise de resistividade. ............................................42
Figura 4.7 - Bobinamento primário e secundário para caracterização magnética. ....................43
Figura 4.8 - Equipamento traçador de curvas de histerese e magnetização. ...........................43
Figura 5.1 – Anéis após o processamento com diferentes rotas e tipos de pó. .........................47
IX
Figura 5.2 - Corpos de prova de tração de FeCo (a) e FeCo2V (b)...........................................48
Figura 5.3 – Resultados de densidade das amostras processadas nas rotas ETP e ETP+FV. 49
Figura 5.4 – Densidade das peças processadas pela rota ETO+FM........................................50
Figura 5.5 - Micrografias das ligas à base de FeCo sinterizadas (Sem ataque, aumento de
500x). .......................................................................................................................................51 Figura 5.6 - Micrografias das ligas à base de FeCo sinterizadas (Ataque Marble, aumento de
500x). .......................................................................................................................................52 Figura 5.7 – Micrografia do material fundido referência para o processo MPI. ..........................53
Figura 5.8 – Segunda fase encontrada nas amostras de FeCo2V processada com pós
elementares..............................................................................................................................54 Figura 5.9 – Análise térmica diferencial das ligas de FeCo e FeCo2V. .....................................55
Figura 5.10 – Resistividade elétrica obtida para as ligas processadas na rota ETP+FV. ..........57
Figura 5.11 - Resistividade elétrica obtida para as ligas processadas na rota ETP...................58
Figura 5.12 - Resistividade elétrica obtida para as ligas processadas na rota ETO+FM. ..........58
Figura 5.13 – Curva de histerese e laço BH obtidos para o material referência. .......................59
Figura 5.14 - Permeabilidade máxima relativa em função do campo induzido para o material
referência..................................................................................................................................60
Figura 5.15 – Curvas de histerese de ligas processadas via ETP+FV, freqüência de análise
0,05 Hz. ....................................................................................................................................61 Figura 5.16 – Laço BH de ligas processadas via ETP+FV, freqüência de análise 17 Hz. .........61
Figura 5.17 – Permeabilidade de ligas processadas via ETP+FV, freqüência de análise 0,05 Hz.
.................................................................................................................................................61 Figura 5.18 - Permeabilidade das ligas processadas via ETP+FV, freqüência de análise 17 Hz.
.................................................................................................................................................61 Figura 5.19 – Permeabilidade das amostras processadas na rota ETP+FV..............................63
Figura 5.20 – Indução de saturação das amostras processadas na rota ETP+FV. ...................64
Figura 5.21 - Coercividade das amostras processadas na rota ETP+FV. ................................64
Figura 5.22 – Perdas magnéticas das amostras processadas na rota ETP+FV. .......................65
Figura 5.23 - Ligas processadas via ETP, freqüência de análise 0,05 Hz. ................................66
Figura 5.24 - Ligas processadas via ETP, freqüência de análise 17 Hz. ..................................66
Figura 5.25 - Permeabilidade das ligas processadas via ETP, freqüência de análise 0,05 Hz. .66
Figura 5.26 - Permeabilidade das ligas processadas via ETP, freqüência de análise 17 Hz. ....66
Figura 5.27 – Permeabilidade das amostras processadas na rota ETP. ...................................68
Figura 5.28 - Indução de saturação das amostras processadas na rota ETP. ..........................69
X
Figura 5.29 - Coercividade das amostras processadas na rota ETP.........................................69
Figura 5.30 - Perdas magnéticas das amostras processadas na rota ETP. ..............................70
Figura 5.31 - Ligas de FeCo e FeCo2V com e sem TTO de resfriamento.................................71
Figura 5.32 - Permeabilidade das ligas de FeCo2V e FeCo, com e sem TTO de resfriamento.71
Figura 5.33 - Ligas processadas via ETO+FM, freqüência de análise 0,05 Hz. ........................72
Figura 5.34 - Ligas processadas via ETO+FM, freqüência de análise 17 Hz. ...........................72
Figura 5.35 - Permeabilidade de ligas processadas via ETO+FM, freqüência de análise 0,05
Hz. ............................................................................................................................................73 Figura 5.36 - Permeabilidade de ligas processadas via ETO+FM, freqüência de análise 17 Hz.
.................................................................................................................................................73 Figura 5.37 - Permeabilidade das amostras processadas na rota ETO+FM. ............................74
Figura 5.38 - Indução de saturação das amostras processadas na rota ETO+FM. ...................75
Figura 5.39 - Coercividade das amostras processadas na rota ETO+FM. ................................75
Figura 5.40 – Perdas magnéticas das amostras processadas na rota ETO+FM. ......................76
Figura 5.41 –Tensão máxima e de escoamento das amostras processadas na rota ETP+FV..77
Figura 5.42 – Deformação específica das amostras processadas na rota ETP+FV. .................78
Figura 5.43 – Tensão máxima e de escoamento de amostras no estado pré-sinterizado e
sinterizado, na rota ETP+FV. ....................................................................................................79 Figura 5.44 –Tensão máxima e de escoamento de amostras submetidas à rota ETO+FM.......80
Figura 5.45 - Deformação específica obtida para as ligas processadas na rota ETO+FM. .......80
Figura 6.1 – Localização da peça de FeCo2V na bomba de injeção (Bosch CD-ROM, 1999). .81
Figura 6.2 - Densidade das amostras processadas na rota ETP+FV. .......................................83
Figura 6.3 – Indução magnética das amostras processadas na rota ETP+FV. .........................84
Figura 6.4 – Permeabilidade das amostras processadas na rota ETP+FV................................84
Figura 6.5 – Coercividade das amostras processadas na rota ETP+FV. ..................................85
Figura 6.6 – Resistividade das amostras processadas na rota ETP+FV. ..................................85
Figura 6.7 – Dureza das amostras processadas pela rota ETP+FV..........................................86
Figura 6.8 – Densidade das amostras processadas na rota ETP..............................................86
Figura 6.9 – Indução magnética das amostras processadas na rota ETP.................................87
Figura 6.10 – Permeabilidade das amostras processadas na rota ETP. ...................................87
Figura 6.11 – Coercividade das amostras processadas na rota ETP. .......................................87
Figura 6.12 – Resistividade das amostras processadas na rota ETP........................................88
Figura 6.13 – Densidade das amostras processadas na rota ETO+FM. ...................................88
Figura 6.14 – Indução magnética das amostras processadas na rota ETO+FM. ......................89
XI
Figura 6.15 – Permeabilidade relativa das amostras processadas na rota ETO+FM. ...............89
Figura 6.16 – Coercividade das amostras processadas na rota ETO+FM. ...............................90
Figura 6.17 – Resistividade elétrica das amostras processadas na rota ETO+FM....................90
Figura 6.18 – Dureza das amostras processadas na rota ETO+FM..........................................90
Figura 10.1 – Curva de histerese ou laço BH..........................................................................100
Lista de Tabelas
Tabela 3.1 – Propriedades magnéticas de ligas à base de FeCo.............................................14
Tabela 3.2 – Valores obtidos da literatura para propriedades mecânicas de ligas à base de
FeCo.........................................................................................................................................14 Tabela 3.3 – Energia de formação dos óxidos de ferro e cobalto (SUNDAR e DEEVI, 2004). .27
Tabela 4.1 – Pós metálicos estudados no processamento via MPI..........................................32
Tabela 4.2 – Custo dos pós elementares e pré-ligados. ..........................................................33
Tabela 4.3 – Materiais poliméricos da massa de injeção. ........................................................34
Tabela 4.4 – Propriedades magnéticas medidas pelo fabricante do material de referência
Permendur 2V após tratamento térmico....................................................................................34 Tabela 4.5 – Composição química dos pós e do material de referência fundido. ....................35
Tabela 4.6- Carga metálica das misturas.................................................................................35
Tabela 4.7 – Parâmetros de injeção. .......................................................................................37
Tabela 5.1 – Densidade das misturas de injeção.....................................................................46
Tabela 5.2 – Contração dimensional das ligas ao final do processamento MPI. ......................47
Tabela 5.3 – Densidade das amostras sinterizadas de FeCo e FeCo2V..................................48
Tabela 5.4 – Densidade da liga fundida usada como referência. .............................................48
Tabela 5.5 – Percentual atômico de elementos formadores das ligas.......................................53
Tabela 5.6 – Temperatura de transição de fases das ligas de FeCo elementar e FeCo2V pré-
ligado........................................................................................................................................56 Tabela 5.7 – Resistividade das ligas estudadas.......................................................................57
Tabela 5.8 – Média e desvio padrão das propriedades magnéticas do material referência......60
Tabela 5.9 – Média e desvio padrão das propriedades magnéticas obtidas na rota ETP+FV. .62
Tabela 5.10 – Média e desvio padrão das propriedades magnéticas obtidas na rota ETP.......67
Tabela 5.11 – Resultados obtidos com e sem o tratamento térmico de resfriamento...............71
Tabela 5.12 – Média e desvio padrão de propriedades magnéticas obtidas na rota ETO+FM. 73
Tabela 5.13 – Propriedades mecânicas das ligas processadas pela rota ETP+FV. .................77
XII
Tabela 5.14 – Propriedades mecânicas das ligas processadas pela rota ETP.........................78
Tabela 5.15 – Propriedades mecânicas das ligas processadas pela rota ETO+FM. ................79
Lista de Abreviações
MPI – Moldagem de pós por injeção MMM – Materiais magnéticos moles MEV – Microscópio eletrônico de varredura MO – Microscopia ótica ATD - Análise térmica diferencial DC – Corrente elétrica continua AC – Corrente elétrica alternada ELE - Pós elementares PRE - Pós pré-ligados ETP – Extração térmica com pré-sinterização FV – Sinterização em forno a vácuo ETO – Extração térmica com atmosfera oxidante FM – Sinterização em forno mufla TTO - Tratamento térmico Mat. Ref. – Material de referência fundido Máx - Máximo
2
1. Introdução
A liga de FeCo consegue aliar a mais alta saturação magnética e temperatura de Curie,
em conjunto com alta permeabilidade e baixa coercividade (Sourmail, 2005). Esta liga, na
forma fundida, vem sendo estudada desde 1929, quando foi patenteada por Elmen e Arnold,
porém não obteve sucesso devido à impossibilidade de processamento através da laminação.
White e Wahl (1932) descobriram que adicionado 2% de vanádio, a composição da liga fundida
FeCo, tornava a liga passível de ser processada por laminação a frio após a fundição. Mais
tarde foi descoberto que além de aumentar a ductilidade da liga, o elemento vanádio também
aumentava significantemente a resistividade elétrica. Por estas razões, a liga de FeCo2V,
conhecida comercialmente por Permendur, tornou-se mais importante dentre as ligas à base de
FeCo (CHEN, 1977).
As ligas à base de FeCo são utilizadas em aplicações onde é necessário um alto fluxo
magnético. Dentre essas aplicações, está a válvula magnética de sistemas de injeção
automotivos. Esta aplicação motivou o presente estudo, realizado em parceria com a empresa
Steelinject S.A, fabricante de um componente da válvula magnética através do processo de
moldagem de pós por injeção (MPI). O componente inicialmente era fabricado a partir da
usinagem de um material sólido, utilizando a liga de FeCo2V (Permendur), porém foi alterado o
processo de produção do componente para o processo MPI. O processo MPI é caracterizado
pela possibilidade de produzir peças de pequeno porte, com geometria complexa, no seu
formato final, sem a necessidade de conformação ou usinagem, tornando a produção mais
econômica. Entretanto, quando a mudança de processo se torna uma vantagem econômica,
pode ocorrer à mudança de processo de fabricação, sem o estudo do material que melhor se
adapta para o novo processamento, ocorrendo apenas uma transferência da liga utilizada
anteriormente para o novo processo, sem que ocorra uma engenharia dos materiais.
No processo MPI, as peças são fabricadas a partir de um material na forma de pó. Esse
pó é misturado a polímeros, e injetado em um molde para que tome a forma desejada. Em
3
seguida, o polímero é extraído, e a etapa seguinte de sinterização, confere à peça as
propriedades finais por meio de difusão no estado sólido. Por ser uma técnica complexa, são
muitas as variáveis durante o processamento que irão levar a mudanças nas propriedades
finais. Portanto, o entendimento do comportamento de cada material em todas as etapas do
processo MPI é necessário, no intuito de diminuir custos de produção e tempo de
desenvolvimento, mas por ser uma técnica relativamente nova, não foram encontrados na
literatura científica estudos sobre o processamento de ligas à base de FeCo. Assim, para esta
pesquisa, foi proposto o desenvolvimento do processamento das ligas à base de FeCo na
técnica de MPI, visando obter vantagens técnicas e econômicas em relação a outros processos
de fabricação. Além disso, como o processo MPI permite a produção de peças sem que haja
deformação plástica, foi vislumbrada a possibilidade de obter peças de FeCo sem o terceiro
elemento. A presente pesquisa está apresentada em dez capítulos, conforme seqüência a
seguir:
Capítulo 1 – Introdução sobre os assuntos relacionados ao tema;
Capítulo 2 – Apresentações dos objetivos da pesquisa;
Capítulo 3 - Revisão da literatura;
Capítulo 4 – Materiais e métodos aplicados para a realização da pesquisa;
Capítulo 5 – Resultados obtidos e discussões;
Capítulo 6 - Estudo de caso: processamento de ligas à base de FeCo via MPI para
aplicação em válvulas magnéticas de motores a diesel;
Capítulo 7 – Conclusões;
Capítulo 8 – Sugestões para trabalhos futuros;
Capítulo 9 – Referências bibliográficas;
Capítulo 10 – Apêndice.
Esta dissertação contou com recursos do projeto FINEP de desenvolvimento de ligas da
Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC juntamente com a Steelinject S.A, de Caxias
do Sul, Rio Grande do Sul.
4
2. Objetivos
Avaliar os métodos de processamento e o seu impacto nas propriedades das ligas à
base de FeCo obtidas através da técnica de moldagem de pós por injeção.
2.1. Objetivos específicos
Os objetivos específicos apresentados a seguir foram delineados almejando alcançar o
objetivo principal, tendo sempre como objetivo secundário, analisar os custos relativos de
processamento e material.
- Estudo da influência da adição do elemento vanádio na liga à base de FeCo quando
processada via MPI;
- Estudo das ligas formadas a partir de pós na forma elementar e pós na forma pré-
ligada, para verificar a influência do gradiente de composição química na etapa de sinterização;
- Estudo da rota mais adequada de extração térmica de ligantes e sinterização:
a) Primeira rota analisada - extração térmica com pré-sinterização (ETP) seguida
de sinterização em forno a vácuo (FV) e sinterização com tratamento térmico de
resfriamento (TTO);
b) Segunda rota analisada - extração térmica com atmosfera oxidante (ETO)
seguida de sinterização em forno mufla (FM) com atmosfera redutora.
- Caracterização de material comercial fundido visando uma comparação com as ligas
obtidas a partir do processamento MPI;
- Caracterização das seguintes propriedades:
a) Caracterizações preliminares – densidade, porosidade, tamanho de grão,
composição química e transformação de fases.
5
b) Propriedades magnéticas com freqüência de 0,05 Hz e 17 Hz -
permeabilidade, indução magnética, coercividade e perdas magnéticas;
c) Propriedades mecânicas - tensão de escoamento, tensão de resistência
máxima e deformação específica.
d) Propriedade Elétrica - resistividade.
Na Figura 2.1 é apresentado um fluxograma para melhor visualização dos objetivos
específicos analisados.
Figura 2.1 – Análises realizadas no presente trabalho.
6
3. Revisão da literatura
3.1. Materiais magnéticos moles à base de Fe e Co
Uma classe importante na indústria dos materiais ferromagnéticos são os materiais
magnéticos moles (MMM), entre os quais estão o ferro e o cobalto. Para esses materiais o
campo externo necessário para magnetizar e desmagnetizar o material é baixo e por esse
motivo são chamados de moles. Um MMM pode ser utilizado como amplificador e/ou
direcionador do campo magnético em uma variedade de dispositivos, incluindo
transformadores, geradores, e motores usados na geração e distribuição de energia elétrica,
em vários aparatos, desde aparelhos domésticos até equipamentos científicos. As aplicações
para esses materiais dividem-se em duas categorias: as aplicações AC e DC. Nas aplicações
DC, o material será magnetizado para realizar uma operação e desmagnetizado ao final da
operação. Nas aplicações AC, o material sofrerá ciclos contínuos de magnetização de um
sentido para outro no período de operação. Portanto, a funcionalidade dos MMM será definida
por sua permeabilidade, propriedade importante tanto em aplicações AC quanto DC. Porém a
relevância das outras propriedades magnéticas irá variar para cada aplicação. Para as
aplicações AC, a eficiência dos materiais será definida pelas perdas magnéticas sofridas nos
ciclos de magnetização. As perdas irão depender da freqüência utilizada no ciclo de
magnetização e das características do material magnético mole. O comportamento magnético
de um material irá depender de vários fatores, como estrutura cristalina, tamanho de grão,
tamanho de poro, morfologia, pureza, defeitos internos, resistividade elétrica e temperatura de
trabalho. Por ser facilmente magnetizável e desmagnetizável os MMM podem ser usados em
núcleos de transformadores, cabeçotes de gravação magnética, sensores de campo
magnético, transdutores e blindagem magnética.
Os materiais magnéticos moles que se almeja obter neste trabalho, através do
processamento via MPI, são as ligas de FeCo e FeCo2V. O ferro é um elemento abundante na
crosta terrestre e muito utilizado em aplicações magnéticas, pois, além de ser um elemento
7
barato, possui o mais alto valor de saturação magnética entre todos os elementos, 2,2 Tesla. O
cobalto possui o segundo maior valor, porém, devido ao seu alto custo as ligas formadas com
este elemento são caras e são utilizadas apenas em aplicações que necessitam de
propriedades magnéticas específicas, tais como alto valor de saturação, alta temperatura de
Curie. O vanádio, quando acrescentado em pequenas quantidades aos aços, tem a finalidade
de inibir crescimento de grãos e formar carbetos, resultando em um aumento da resistência
mecânica. Com a combinação dos dois elementos, ferro e cobalto, forma-se um material
ferromagnético mole que possui o mais alto valor de saturação magnética entre todos os
materiais, além de apresentar um alto valor de temperatura de Curie. Porém, esta liga possui é
frágil, o que dificulta a realização de operações de conformação. Na Figura 3.1 está
apresentado o momento magnético do ferro e cobalto nas ligas binárias Fe1-xCox com diferentes
composições e a saturação de magnetização em função da composição. A linha reta indica os
valores para os elementos puros. A linha curva indica o aumento da magnetização de
saturação quando há a formação de solução sólida devido a um aumento do momento do Fe.
(Sourmail, 2005).
Figura 3.1 – O momento magnético do ferro e cobalto nas ligas binárias Fe1-xCox e a saturação de
magnetização das ligas em função da composição. (Sourmail, 2005)
A liga de FeCo na forma fundida vem sendo objeto de estudo desde 1920, quando foi
descoberto por Elmen e Arnold. Porém, a liga não obteve sucesso comercial devido à
fragilidade do material. Entretanto, vários outros estudos foram iniciados na tentativa de
encontrar soluções para obtenção de peças de FeCo a partir dos processos convencionais de
fundição e laminação. A revisão a seguir diz respeito, na maior parte, a resultados obtidos para
8
as ligas à base de Fe e Co fundidas e não sinterizadas, entretanto, não tira a validade da
revisão, pois, o objetivo é justamente que as peças produzidas via MPI alcancem as
propriedades das peças produzidas convencionalmente.
Na Figura 3.2 é apresentada a indução de saturação do ferro quando solubilizado com
diferentes elementos, mostrando que os mais altos valores de saturação são obtidos com a
adição de até 60% de cobalto, sendo a composição de Fe-37Co a maior.
Figura 3.2 - Indução de saturação do ferro com diferentes elementos de liga (Metals Handbook, 1985).
Segundo Fiorillo (2004), a composição química irá determinar os valores das
propriedades magnéticas intrínsecas, como a magnetização de saturação, constante de
anisotropia magnética e magnetostricção, o que, por sua vez, irá afetar o processo de
magnetização devido à relação com a estrutura e microestrutura do material, como tamanho de
grão, defeitos na rede e fases distintas. Por ser uma propriedade intrínseca do material, é
comum afirmar que a indução de saturação independe da microestrutura, porém pequenas
variações foram observadas por Fingers e Kozlowski (1997). Para uma mesma liga de FeCo-
2V-0,3Nb submetida a diferentes condições de tratamento térmico observou-se uma variação
de 0,06T com o aumento do tamanho de grão. Porém a pequena variação observada pode ser
devida a erros típicos de medida e segundo Sourmail (2005), há estimativas de que esses
erros podem alcançar 0,1T. Além disso, é importante observar que a adição de um terceiro
elemento leva à diminuição da indução de saturação devido ao efeito de diluição e/ou pela
precipitação de partículas não-magnéticas, que podem ocorrer durante o tratamento térmico.
9
Elmen (1926) demonstrou que a alta permeabilidade persiste mesmo à alta densidade
de fluxo magnético, e que os maiores valores de permeabilidade associados a um alto valor de
magnetização de saturação são obtidos para a liga FeCo, conforme mostrado na Figura 3.3.
Esta característica torna a liga um grande potencial para aplicações, onde os materiais
magnéticos moles são necessários. Apesar do grande potencial, surpreendentemente Sourmail
(2005) em sua revisão sobre ligas à base de FeCo cita que existem poucos estudos reportando
diretamente a permeabilidade inicial e máxima de ligas à base de FeCo.
Figura 3.3 - Permeabilidade magnética do ferro com o acréscimo do elemento cobalto (Bozorth, 1951).
Outra propriedade significativa para os materiais magnéticos moles é a coercividade,
pois é um parâmetro importante relacionado às baixas perdas magnéticas. Essa propriedade é
influenciada pela microestrutura e, portanto, será afetada pela maior parte dos defeitos, como
discordâncias, contorno de grão e precipitados. Quanto menor o grau de impurezas e defeitos
na liga, melhores serão as propriedades magnéticas obtidas. De acordo com Chen (1977),
defeitos pontuais não exercem efeitos detectáveis nas duas mais importantes propriedades
sensíveis à microestrutura que são a coercividade e permeabilidade. Quando os defeitos
pontuais são convertidos em discordâncias em hélice, poros, bolhas de gás ou inclusão de
partículas, eles efetivamente deterioram as propriedades dos materiais magnéticos moles.
Ainda segundo, nos vários estudos realizados com as ligas à base de Fe e Co, na forma
fundida e laminada foram observados que, considerando os defeitos de rede, as discordâncias
10
são as que mais afetam as propriedades magnéticas. Isto acontece, em parte, porque
geralmente esses defeitos estão presentes em grandes quantidades nos materiais laminados,
e, em parte, porque os campos de forças associados com as discordâncias têm interações
importantes com as paredes de domínios, causando mudanças no processo de magnetização
devido ao movimento das paredes. É interessante observar que o defeito de rede que mais
afeta as ligas produzidas via fusão e laminação, não terá grande influência nas ligas
sinterizadas, pois, como será visto adiante, as peças não sofrem deformação no processo de
MPI e, portanto, não haverá formação considerável de discordâncias. Porém, dependendo do
ciclo térmico aplicado, haverá a formação de grande quantidade de contornos de grão. O efeito
dos contornos internos no processo de magnetização pode ser examinado sob dois aspectos:
A existência de um contorno significa que há uma mudança na direção do vetor de
magnetização em regiões adjacentes ao contorno e o grau de mudança depende da falta de
orientação do contorno. O segundo efeito do contorno está na distribuição e movimentação das
paredes de domínio. Se o contorno estiver relativamente livre de impurezas, ele pode não ser
capaz de romper uma parede de domínio. Além de defeitos, o estado de ordenamento terá
influência na coercividade, sendo que no estado desordenado esta propriedade é maior do que
no estado ordenado (Yu, 2000).
O diagrama de fases binárias para o sistema FeCo, apresentado na Figura 3.4, tem sido
objeto de estudo detalhado desde 1941 (Ellis e Greiner apud Sourmail, 2005). Em 1975, outro
estudo foi realizado por Normanton et al (apud Sourmail, 2005), e, mais recentemente, por
Ohnuma et al (2002 apud Sourmail, 2005). Conforme mostrado na Figura 3.4, o ferro e o
cobalto, próximos à composição equiatômica, possuem intersolubilidade, e tenderão a formar
solução sólida desordenada com estrutura do tipo cúbica de face centrada - CFC (ץ) a
temperaturas elevadas.
11
Figura 3.4- Diagrama de fases do sistema ferro/cobalto (Sourmail, 2005).
Na faixa de temperaturas entre 980ºC e 730ºC, a liga existe na forma de solução sólida
desordenada com estrutura cúbica de corpo centrado - CCC (α). Na temperatura de 730ºC a
liga apresenta uma transformação de segunda ordem com mudança na estrutura saindo da
solução sólida α e sofrendo um ordenamento atômico para formar uma estrutura do tipo CsCl -
cloreto de césio (α2), conforme ilustra a Figura 3.5. Se as ligas de FeCo ou FeCo2V são
resfriadas a partir da região γ + α, a fase gama irá sofrer uma transformação martensítica para
a fase CCC, a qual tem sido reportada como α’ (SOURMAIL, 2005).
Figura 3.5 - Estruturas formadas nas ligas à base de FeCo.
Entende-se por ordenamento quando os espaços da rede estão agrupados em
subredes, e cada um está ocupado predominantemente por uma espécie de átomo e estas
ligas são comumente chamadas de superestruturas. Na liga FeCo a estrutura CCC pode ser
determinada em duas redes cúbicas simples, α e β interpenetradas. Segundo Chen (1986), o
ordenamento da fase α na proximidade de 50% de cobalto, somado a presença de impurezas
como carbono, oxigênio, e hidrogênio tende a tornar a liga frágil. Portanto, as propriedades
mecânicas e magnéticas são sensíveis ao tratamento térmico aplicado e também à pureza da
liga. A transição de ordem-desordem em ligas magnéticas é importante: o ordenamento
983ºC 730ºC
CFC CCC CsCl
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químico ou atômico é o ordenamento magnético e ambos são fenômenos cooperativos,
caracterizados por uma temperatura crítica definida, e ambos são controlados por interações
entre átomos e spins. Muitos métodos têm sido usados para correlacionar as mudanças das
propriedades em função da transição de ordem-desordem. Medidas do momento de saturação
de ligas FeCo realizadas por Clegg e Buckley (1973) mostram um aumento de 4% após
ordenamento (Figura 3.6). Os mesmos autores mostram também que a liga de FeCo apresenta
transição de ordem-desordem que não pode ser suprimida por uma taxa de resfriamento menor
que 4000°C/s, valor não praticável em escala industrial. Portanto, a liga de FeCo estará
normalmente no seu estado ordenado.
Figura 3.6 - Momento de saturação em função da temperatura para liga ordenada (linha cheia) e
desordenada (linha tracejada) (CLEGG e BUCKLEY, 1973).
O ordenamento da liga de FeCo causa dois problemas sérios na tentativa de converter
a liga fundida em um material magnético funcional: O primeiro é a considerável redução da
resistividade; e o segundo é o aumento da fragilidade do material (CHEN, 1961). Para resolver
a questão da liga fundida de FeCo, White e Wahl (1932), doparam a liga com outros elementos
para tentar diminuir a fragilidade, sem alterar as propriedades magnéticas da liga. O resultado
encontrado foi de que o vanádio aumenta a ductilidade da liga, possibilitando a laminação.
Além de afetar a ductilidade, o vanádio, foi o elemento que apresentou o melhor resultado para
o aumento da resistividade, como apresentado na Figura 3.7.
13
Figura 3.7 - Resistividade da liga FeCo em função da adição de elemento de liga (Chen, 1977).
Após encontrar estes resultados foi proposta a liga ternária de FeCo2%V, a qual
recebeu o nome comercial de Permendur. Por ter possibilitado a comercialização por
processos convencionais, a vasta maioria de trabalhos publicados até esta data diz respeito às
ligas de FeCo2V e suas variantes, em vez de ligas binárias ou outro sistema ternário. Além do
aumento da resistividade, o vanádio modifica a forma do diagrama da liga FeCo, conforme
mostrado na Figura 3.8, uma mudança da temperatura de transição de CFC (ץ) para CCC (α)
para aproximadamente 880ºC, e uma expansão do campo (α + ץ). A temperatura crítica para a
transformação de ordem-desordem (α ↔ α1) é diminuída para aproximadamente 700ºC quando
a liga possui 2% de vanádio e a região (α + α1) aumenta (CHEN, 1977). Este conhecimento é
importante no momento da decisão do ciclo térmico empregado na produção de peças devido
às diferenças quando o terceiro elemento é adicionado à liga.
Figura 3.8 - Diagrama de fases do sistema ferro, cobalto e vanádio (Martin e Geisler, 1952).
Tradicionalmente a liga de FeCo2V é produzida por laminação a quente acima da
temperatura de transição de α ץ, seguido por um recozimento a 850ºC e então rapidamente
14
resfriado até a temperatura ambiente (CHEN, 1977). Segundo Chin & Wernick (1986), para
desenvolver o melhor comportamento magnético mole da liga fundida, o tratamento térmico
final consiste em recozer a liga abaixo da transformação α ץ e acima da temperatura de
ordenamento e, portanto, a aproximadamente 850ºC. Esse tratamento serve para as ligas com
e sem o elemento vanádio.
As propriedades requeridas nos materiais magnéticos moles irão variar de acordo com
cada aplicação. Uma propriedade importante para definição da aplicação desses materiais é
valor da resistividade elétrica. Essa propriedade terá um papel fundamental quando o material
for utilizado em aplicações em alta freqüência, onde, precisa ter baixas perdas magnéticas. A
liga binária FeCo ordenada possui baixo valor de resistividade, mas com a adição do vanádio,
esse valor pode aumentar em até uma ordem de grandeza. Valores das propriedades
magnéticas das ligas de FeCo2V encontrados na literatura, no estado fundido e sinterizado;
estão listados na Tabela 3.1. Os valores para a liga FeCo são difíceis de serem apresentados,
pois muitas vezes os autores chamam de FeCo e, pelas propriedades apresentadas é possível
identificar que na verdade a liga descrita é FeCo2V.
Tabela 3.1 – Propriedades magnéticas de ligas à base de FeCo.
Fe49Co2V Propriedades/Material
Fundido1 Sinterizado2 Densidade (g/cm³) 8,12 >7,7
Indução magnética (T) 2,35 2,2
Permeabilidade máx. 4500 5200 Coercividade (A/m) 240 118 Remanência (T) 2,0 1,4 Resistividade(μΩ.m) 0,44 0,35
Fonte: 1 Vacummschmelze, 2001; 2MPIF 35, 2000. As propriedades mecânicas da liga assim como as propriedades magnéticas, irão variar
bastante dependendo da composição e do tratamento térmico empregado. Os valores
encontrados na literatura e apresentados na Tabela 3.2 foram obtidos após diferentes ciclos
térmicos a partir de 850°C com resfriamento lento, portanto no estado ordenado.
Tabela 3.2 – Valores obtidos da literatura para propriedades mecânicas de ligas à base de FeCo.
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Material/ Propriedades Tensão máxima MPa
Tensão de escoamento (0,2%) MPa
Alongamento
FeCo Fundido1 --- ~300 ---
Fundido² 350 250 3% Fe49Co2V Sinterizado³ 207 138 <1
Fonte: 1 Sourmail, 2005; ² Vacummschmelze, 2001; ³MPIF 35, 2000. A fase ordenada é freqüentemente classificada como frágil, enquanto a fase
desordenada apresenta alguma ductilidade. A liga com o vanádio apresenta uma ductilidade
maior, o que leva a hipótese de que o vanádio diminui o processo de ordenamento, criando um
alto grau de ordem a curto alcance e permite que alguma ductilidade seja retida com um
tratamento de resfriamento forçado (MARCINKOSWSKY, 1974 apud SOURMAIL, 2005). Para
Stoloff e Davies (1964 apud SOURMAIL, 2005), a relação entre a mudança de resistência nos
estados ordenado e desordenado esta relacionado com a transição entre deformação por
discordância simples para deformação com discordância de superestruturas. Enquanto
discordâncias simples encontram resistência com o ordenamento, as discordâncias de
superestruturas não são sensíveis ao grau de ordenamento. Eymery et al (1974 apud
SOURMAIL, 2005) e Grosbras (1976 apud SOURMAIL, 2005) propõem que uma concentração
mais alta de lacunas são retidas devido ao resfriamento forçado na liga de FeCo2V do que na
liga de FeCo, o que é causado pela alta interação entre as lacunas com o vanádio. Logo, a liga
com maior quantidade de lacunas apresentaria uma facilidade maior de deslocamento de
discordâncias. Em sua revisão sobre as ligas à base de FeCo, Sourmail (2005) cita que
estudos reportam uma mudança no modo de deformação de escorregamento planar para
ondulado com o ordenamento do sistema, o que estaria modificando as propriedades
magnéticas e mecânicas. Porém, mais de 50 anos de investigações, até o momento não há
uma concordância entre os pesquisadores sobre a influência da adição do vanádio na cinética
de ordenamento. Existe uma tendência em associar a fragilidade com ordenamento e
ductilidade com falta de ordenamento. Todavia, tem aumentado as evidências de que apenas
essa afirmação não explica o fenômeno. Está claro que as ligas de FeCo são sensíveis à
fratura intergranular, e que o vanádio impede a fratura intergranular por um mecanismo que
16
não está confirmado. Neste caso o material continua frágil no estado ordenado, onde a fratura
é controlada por uma clivagem transgranular, enquanto é dúctil no estado desordenado.
As propriedades mecânicas e magnéticas estão relacionadas com a microestrutura do
material. Porém, devido à reação de ordenamento a recristalização e crescimento de grão não
seguem um comportamento padrão e, portanto, merecem atenção na definição do ciclo térmico
de processamento (SOURMAIL, 2005). Davies e Stoloff (1964 apud SOURMAIL, 2005)
reportaram uma diferença significativa do comportamento do crescimento do tamanho de grão
abaixo e acima da temperatura crítica de ordenamento. Alguns pontos estão claramente
entendidos, entretanto um número de questões continua sem consenso em diferentes áreas
para as ligas à base de FeCo, principalmente para as ligas processadas via MPI, pois não
foram encontradas publicações relacionando as condições de processamento MPI com as
propriedades alcançadas, e que descrevam a otimização do processamento visando à melhoria
das propriedades magnéticas, mecânicas ou elétricas.
3.1.1. Aplicações para as ligas à base de FeCo
As principais características da liga FeCo são seu alto valor de saturação magnética e o
alto valor da temperatura de Curie. Um alto valor de saturação significa que é possível obter
uma densidade de fluxo magnético grande, permitindo, por exemplo, uma redução no volume
do material a ser empregado. A alta temperatura de Curie permite o uso do magnetismo em
uma faixa de temperatura de trabalho maior. Segundo a norma técnica britânica BS IEC 60404-
1(2000), ligas à base de FeCo comumente contém elementos de liga como vanádio, nióbio e
cromo para o aumento da ductilidade, e podem ter as seguintes aplicações:
- Materiais isotrópicos: aplicações envolvendo altíssima polarização de magnetização
em campos baixos ou médios tais como transformadores, relays, dispositivos eletromagnéticos
ou eletromecânicos para equipamentos aeroespaciais ou aeronáuticos, membranas de
telefone, pólos de eletromagnetos, lentes magnéticas.
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- Materiais anisotrópicos: Amplificadores magnéticos altamente carregados e de menor
tamanho e transformadores para propósito especiais.
Para aplicações à alta temperatura, a liga de FeCo2V produzida convencionalmente
apresenta uma desvantagem em relação à liga de FeCo, pois ocorre precipitação de segunda
fase na liga de FeCo2V, deteriorando as propriedades magnéticas. Neste sentido, Yu (2000)
realizou um estudo para utilizar as vantagens da liga de FeCo em aplicações em alta
temperatura. Ele produziu um compósito ao adicionar partículas de cerâmica ou fibra na liga de
FeCo, por deposição eletroquímica. Com este estudo, o autor conseguiu desvincular as
propriedades magnéticas e mecânicas do tratamento térmico empregado, pois uma melhora
nas propriedades mecânicas leva a uma deteriorização das propriedades magnéticas e vice-
versa. Outra forma de obter peças de FeCo, sem a necessidade do elemento vanádio, é
através do processo de fabricação de MPI. Neste processo é possível desvincular as
propriedades mecânicas das magnéticas do material para a produção da peça.
3.2. Processamento via moldagem de pós por injeção
Os principais processos de fabricação são: a fundição, conformação mecânica,
processos de usinagem e consolidação de pós. A fundição e a consolidação de pós são
considerados processos de fabricação primários. Dentre os processos de consolidação de pós
está o processo de MPI, o qual possui a vantagem imediata da obtenção da peça final na
estrutura e microestrutura desejadas sem necessidade de processos de fabricação
secundários. O processo MPI é um método de fabricação de peças relativamente novo que
começou a se firmar na indústria a partir da década de 80 com o desenvolvimento de materiais
específicos para o processo e com o melhor entendimento do mesmo. Atualmente o processo
MPI disputa lugar com processos convencionais de fabricação, tornando-se competitivo
quando as peças são produzidas em larga escala, possuem pequenas dimensões e formas
geométricas complexas. Essas exigências do processo vêm ao encontro das tecnologias que
estão sendo desenvolvidas nos dias atuais, onde novos equipamentos são criados ou
18
redimensionados visando à miniaturização dos equipamentos existentes. Essa tendência é
motivada por diversos fatores, tais como, a diminuição de peso e dimensões visando redução
dos custos até a comodidade e praticidade de usuários em diversos segmentos. Neste
aspecto, o processo MPI ocupa um papel importante, bem como a liga de FeCo, pois MPI é
justamente direcionado para a fabricação de peças complexas e de pequeno porte. Por outro
lado, a liga FeCo possuindo um alto valor de saturação, permite a redução de volume das
peças. German e Bose (1997) citam algumas das vantagens do processo MPI que podem ser
empregadas para ligas à base de FeCo em relação aos processos convencionais usados para
a fabricação de peças. O processo MPI tem a vantagem de alcançar densidade próxima à
densidade teórica dos materiais, em uma peça de geometria complexa, sem a necessidade de
várias etapas de fabricação. A alta densidade, com a presença de poucos poros, significa que
induções magnéticas equivalentes a de materiais forjados podem ser obtidas, uma vez que a
principal característica da liga de FeCo é a alta indução de saturação. Além disso, novas ligas
podem ser desenvolvidas aproveitando a vantagem do processo MPI, pois torna-se possível a
adição ou retirada de elementos de liga que a tecnologia de fabricação por fundição e
forjamento não permitem. É o caso da liga FeCo, que no processamento convencional,
necessita de outros elementos de liga, como o vanádio, devido à alta fragilidade da liga binária.
Segundo German (2003), no ano de 2002 o segmento de MPI gerou aproximadamente
800 milhões de dólares em componentes vendidos no mundo. Exemplos dos segmentos
industriais que encontraram aplicações para o processo estão expostos na Figura 3.9.
Figura 3.9 - Exemplos de peças fabricadas pelo processo MPI (GERMAN, 2003).
19
Assim como acontece em outras aplicações que utilizam peças fabricadas pelo
processo de MPI, no processamento de peças magnéticas moles é necessário um estudo do
comportamento dos materiais nas rotas disponíveis de processamento para garantir que a
peça irá atender às especificações da aplicação em questão, além de garantir que o menor
custo de processamento seja alcançado. Isto se deve à dependência das propriedades finais
com os fatores empregados durante o complexo processo de MPI. Neste trabalho foi analisado
o processamento das ligas à base de Fe e Co para uma aplicação específica. Porém, a
pesquisa não se limita apenas a esta aplicação, uma vez que foram analisados vários aspectos
da liga, em relação ao processo de fabricação, que não haviam sido reportados na literatura
até o momento e, portanto, se estendem a outras aplicações que venham a utilizar essas ligas
processadas via MPI. A opção pelo estudo de uma aplicação específica ocorreu no intuito de
definir algumas propriedades que deveriam ser alcançadas pela liga, quando processada via
MPI para garantir que o estudo, além de seu caráter acadêmico, obtivesse também uma
abordagem de interesse comercial. Portanto, as propriedades avaliadas foram relacionadas a
algumas exigências que um componente de uma válvula magnética utilizada em bombas de
injeção a diesel deve possuir.
O componente da válvula que fica preso à base da agulha da válvula magnética,
exposto na Figura 3.10, possui propriedades magnéticas moles e é fabricado com a liga de
Fe49Co2V. O funcionamento acontece da seguinte forma: inicialmente a agulha da válvula está
sofrendo a força da mola e encontra-se pressionada contra o encosto stop, liberando a
passagem de combustível e igualando a pressão do sistema (Figura 3.10 A). Para iniciar a
geração de alta pressão, a caixa de comando envia uma corrente para o solenóide do magneto
elétrico que cria um campo magnético. Este campo irá atrair a peça de FeCo2V movimentando
a agulha e fechando a passagem do combustível (Figura 3.10 B). Portanto, a agulha tem a
função de fechar a ligação entre o lado de baixa pressão e a câmara de alta pressão. O
combustível é pressurizado pelo movimento do pistão de bomba. Quando a pressão na câmara
fica alta, o bico injetor se abre, injetando combustível para dentro da câmara de combustão. A
20
caixa de comando interrompe o processo de injeção ao desligar a corrente que alimenta o
solenóide da válvula magnética.
(A) - Baixa pressão (B) - Alta pressão
Figura 3.10 – Funcionamento da válvula magnética da bomba de injeção (Bosch CD-ROM, 1999).
A Figura 3.11 mostra a peça em detalhe, onde pode ser observada a complexidade
geométrica que justifica o uso do MPI para a fabricação da mesma. Esta peça trabalha em
uma freqüência de 17 Hz, atingindo uma pressão de aproximadamente 2000 bar e possui
especificações quanto à permeabilidade magnética, indução de saturação, coercividade,
densidade, resistividade elétrica e dureza. Esta aplicação será detalhada mais adiante no
estudo de caso que será apresentado no capítulo 6.
Figura 3.11 – Peça de FeCo2V componente da válvula magnética pertencente a bombas de injeção.
As etapas do processo MPI estão apresentadas na forma de fluxograma na Figura 3.1.
21
Figura 3.1 – Etapas do processo MPI.
O processo MPI tem início: 1) com a preparação da mistura do pó metálico e o ligante,
que é constituído de vários polímeros termoplásticos; 2) a mistura servirá para alimentar uma
máquina de moldagem por injeção que permite a formação de peças com geometria complexa;
3) após a retirada da peça da máquina injetora, ela será submetida à extração do ligante que
pode ser feito através do uso de solventes e/ou através da evaporação do ligante quando
submetido à alta temperatura; 4) a peça formada após a retirada do ligante se tornará frágil,
pois no lugar onde estava o ligante irão sobrar vazios. À medida que a temperatura aumenta, a
mobilidade atômica aumenta e tem início a etapa de sinterização. Para um melhor
entendimento de alguns aspectos importantes relacionados ao processamento das ligas à base
de FeCo, posteriormente serão descritas em mais detalhes algumas etapas do processamento.
3.2.1. Os pós metálicos
A complexidade do processo de MPI é tal, que cada etapa pode ser um causador de
defeitos na peça final. Portanto, os materiais utilizados ocupam uma posição importante no que
se refere à qualidade obtida nas peças ao final do processamento. As características inseridas
22
nos pós serão determinantes para o processamento MPI do material e irão interferir nas
propriedades finais das peças. Alguns aspectos dos pós, como a distribuição do tamanho,
forma das partículas e quantidade de impurezas terão influência em todas as etapas. Estes
aspectos têm a capacidade de alterar as propriedades reológicas da mistura, podendo
inviabilizar a etapa de moldagem devido a um inadequado escoamento da massa na máquina
injetora, na extração dos polímeros podem gerar tensões causando distorções na forma da
peça, ou ainda na sinterização gerando poros ou distorções.
Na etapa de sinterização, os pós terão um papel determinante, pois a densificação terá
início apenas nesta etapa e dependerá das características dos pós. A energia motriz para a
sinterização é fornecida pela diminuição da energia livre de superfície do material e, por este
motivo, é imprescindível ter um tamanho de partícula pequeno e com alta energia superficial.
Segundo German (1996), com um maior contato entre as partículas por unidade de volume,
haverá um aumento da cinética de reação durante a sinterização, tornando possível atingir as
densidades desejadas. Esse mesmo autor cita que outro fator relevante na densificação das
peças é a existência de gradiente químico de composição entre os pós formadores da liga.
Portanto, os pós utilizados para obter uma peça com a composição à base de FeCo podem
estar na forma final da liga, i.e, já na forma pré-ligada, como Fe50Co, ou estar no seu estado
elementar, constituindo um gradiente químico que auxiliará a densificação da liga durante o
processamento. Porém, o uso dos pós elementares pode gerar diferenças de composição
química na peça final devido a não homogeneidade da massa de injeção, ou devido a um ciclo
de sinterização não adequado para a homogeneização química dos pós, ou ainda devido à
baixa interação química entre os pós.
Chen (1977) cita que a maior parte das impurezas que degradam as propriedades
magnéticas moles são os elementos carbono, nitrogênio, oxigênio e enxofre. O oxigênio é
geralmente negligenciado como contaminante em materiais forjados. Entretanto os pós
utilizados no processo MPI possuem uma grande área superficial e, portanto, facilidade de
haver contaminação. Além disso, o carbono pode estar presente na etapa de sinterização
23
devido a uma extração de ligantes ineficiente. Portanto, apesar do processo MPI permitir uma
flexibilidade maior para composição das ligas, é necessário cuidado na manipulação dos pós,
no processamento e um controle da composição na peça final até que o processamento esteja
totalmente controlado.
3.2.2. Mistura para injeção
A mistura para injeção é conhecida na indústria como o “feedstock”. Nas massas
preparadas para a realização deste trabalho foi utilizado o tipo de ligante mais comum na
indústria, que German e Bose (1997) descrevem como sendo formado por um polímero de
baixo ponto de fusão, como a parafina, e um polímero de mais alto ponto de fusão, como
polipropileno. O polímero de baixo ponto de fusão terá cadeias menores, facilitará o
escoamento da mistura durante a moldagem e será extraído primeiro, formando canais porosos
dentro da peça para facilitar a saída do restante dos polímeros de alto ponto de fusão. Os
polímeros de alto ponto de fusão servirão para garantir a resistência estrutural da peça até o
início da sinterização.
É necessário que a peça tenha uma proporção de pó e ligante ideal para que seja
possível a moldagem, extração do ligante e sinterização. Portanto, uma ação importante da
etapa de mistura é a de definir o carregamento sólido, i.e, definir a quantidade de pó metálico
que terá a mistura. Esta proporção pode ser definida através de estudos reológicos da massa,
como medidas de viscosidade da mistura ou acompanhar os valores de torque das pás dos
misturadores e a sua variação com diferentes quantidades de ligantes. Como ilustrado na
Figura 3.12, com o acréscimo de pó, o valor do torque aumenta, tendendo a estabilizar com o
decorrer do tempo de mistura, até quando se alcança uma fração de pó em que o torque da
mistura não mais estabiliza. Neste ponto ocorre o contato direto entre as partículas, a mistura
perde a característica de pasta, o que resulta em picos que impedem a estabilização do torque
medido, sendo esta a fração de sólidos crítica. Após atingir a fração crítica, devem ser
acrescentados 3% de ligante e esta será a fração ótima de pós (GERMAN e BOSE, 1997).
24
Figura 3.12 - Determinação da fração volumétrica de sólidos crítica. (GERMAN e BOSE, 1997).
Para que o ligante seja eficiente no transporte das partículas metálicas ele deve
envolver cada partícula metálica com uma fina camada para evitar o contato das mesmas. Do
contrário, há a geração de atrito aumentando a força necessária para o escoamento do pó e
dificultando o fluxo de injeção, levando a problemas na etapa de moldagem devido à
viscosidade muito alta da mistura. Por outro lado, se houver um excesso de ligante na mistura
problemas surgirão na etapa de extração levando a um tempo muito longo e podendo causar
deformações. Também na etapa de sinterização a peça irá sofrer grandes retrações podendo
levar a problemas no controle dimensional. Além disso, durante a injeção, poderá ocorrer a
sedimentação das partículas levando à heterogeneidade de composição. Na conclusão desta
etapa, a garantia de uma massa de injeção livre de defeitos é de fundamental importância, pois
estes defeitos, tais como, não homogeneidade ou degradação dos polímeros da massa pode
inviabilizar as etapas seguintes. Depois de concluída a mistura, ela é triturada e serve de
alimentação para máquina injetora.
3.2.3. Moldagem por injeção
A máquina injetora é composta por um sistema de alimentação do molde e um sistema
de aplicação de pressão na massa de injeção e no molde. O molde possui a cavidade com o
formato da peça desejada. O sistema de alimentação possui zonas de aquecimento da massa,
que irão permitir uma diminuição da viscosidade devido ao aumento da temperatura,
25
garantindo que no momento da aplicação de pressão e preenchimento do molde, toda a massa
estará a uma mesma temperatura e com a mesma viscosidade para o completo preenchimento
da cavidade do molde. Para a injeção são necessários ajustes de alguns parâmetros, tais
como: as temperaturas para cada zona, o tempo de fechamento e abertura do molde, o tempo
de injeção, as pressões de injeção e recalque e, temperatura do molde. Estes ajustes são
realizados de acordo com as características de cada mistura. Nesta etapa, o material irá tomar
a forma final desejada, portanto é necessário que o material não apresente defeitos oriundos
deste estágio, pois estes defeitos estarão presentes até o final do processamento. Alguns dos
defeitos que podem ocorrer são: trincas, bolhas, vazios, linhas de soldagem e
heterogeneidades na mistura devido ao peso das partículas dentro do ligante. Após a obtenção
da peça a função do sistema ligante chegou ao fim e terá que ser extraído da peça formada.
3.2.4. Extração do ligante
A etapa de extração do ligante pode ser considerada como sendo a mais crítica do
processo, pois é preciso remover todos componentes poliméricos presentes na mistura, já que
a função destes componentes chegou ao fim. Na remoção, os polímeros precisam ser
extraídos de tal forma que a peça não perca a sua integridade estrutural. Além disso, é
desejável que cada etapa dure o menor tempo possível para que o processo tenha vantagens
econômicas. Neste tópico serão apresentados os métodos de extração de ligantes mais
comuns na indústria e que foram utilizados nesta pesquisa: a extração termoquímica por
solvente seguida pela extração térmica por degradação com atmosfera oxidante ou redutora.
A extração termoquímica é realizada colocando a peça moldada na presença de um
solvente que irá dissolver apenas uma parte dos componentes orgânicos, formando uma rede
de poros através da peça que servirá como passagem para a saída do restante dos ligantes. A
extração do polímero com mais alto ponto de fusão pode ser realizada de duas formas:
a) Extração feita através da degradação dos polímeros com atmosfera redutora. Após a
retirada dos ligantes já começam a se formar os contatos das partículas de pós metálicos para
26
que a peça não perca a sua integridade estrutural, estando ao final da extração no estado pré-
sinterizado, conforme figura 3.13. Esta etapa do processamento será chamada neste trabalho
de ETP, sigla para a “extração térmica com pré-sinterização”.
Figura 3.13 - Material após a extração total do ligante e após formação dos primeiros contatos entre as
partículas.
b) Extração feita através da degradação dos polímeros com atmosfera oxidante, sendo
que à medida que os polímeros estão sendo retirados, o pó metálico estará oxidando para
proporcionar resistência estrutural à peça. Esta etapa do processamento será nomeada neste
trabalho de ETO, sigla para a “extração térmica com oxidação”, atingindo temperatura de até
500°C em atmosfera oxidante. Após a ETO é necessário que os óxidos sejam reduzidos antes
que o pó comece a sinterizar, e por esse motivo, elementos que possuem óxidos muito
estáveis dificilmente poderão ser processados pela rota ETO. Uma forma de avaliar o
comportamento dos materiais utilizados pela rota com atmosfera oxidante é através do uso do
diagrama de Ellingham, que permite prever a possibilidade termodinâmica de obtenção de
metais a partir dos respectivos óxidos, por decomposição térmica ou redução química
(SHRIVER e ATKINS, 2003). Em relação aos materiais analisados neste trabalho, os pós
elementares que irão formar os óxidos de ferro e cobalto são facilmente reduzidos nas
temperaturas utilizadas nos ciclos, porém o óxido do vanádio pode ser bastante estável
dependendo do óxido formado, e necessitaria de temperatura ou pressão muito superior às
utilizadas no processo, pois a entalpia de reação do óxido de vanádio é muito maior do que a
entalpia de reação do ferro e cobalto. Já os pós pré-ligados irão apresentar um comportamento
distinto dos pós elementares quanto à oxidação. A oxidação do FeCo2V ocorre em duas
27
etapas segundo Sundar e Deevi (2004): no início o oxigênio da atmosfera preferencialmente
reage com o ferro e forma uma camada que consiste de Fe3O4 e Fe2O3.. A oxidação do ferro
antes do cobalto é favorável, pois o ferro possui afinidade maior com o oxigênio sendo a
energia de formação do óxido de ferro (em 500°C e 600°C) maior que a do óxido de cobalto,
conforme Tabela 3.3.
Tabela 3.3 – Energia de formação dos óxidos de ferro e cobalto (SUNDAR e DEEVI, 2004).
Óxido Energia de formação
Co3O4 2560 - 640 kJ/mol
Fe3O4 2790 - 880 kJ/mol
Fe2O3 2585 - 635 kJ/mol
CoFe2O3 2770 - 840kJ/mol
Conforme Figura 3.14, a formação da camada de óxido de ferro resulta em uma
interface entre o óxido e o soluto de FeCo2V, rica em cobalto e vanádio.
Figura 3.14 –Mecanismo de oxidação nas ligas de FeCo2V ( SUNDAR e DAVI, 2004)
O restante da oxidação ocorre através da difusão do oxigênio rumo à interface rica em
cobalto e vanádio e difusão do ferro e cobalto rumo à interface da atmosfera oxidante. O
oxigênio que difunde através da camada oxida reage com a camada enriquecida de cobalto e
vanádio e forma ilhas de óxidos espinel na forma de (Co,Fe,v)3O4. A camada de óxido externa
formada é de natureza semicondutora e não deverá ser suficiente para formar uma barreira
28
isolante na superfície necessária para minimizar as perdas por correntes de Foucault em
aplicação A.C (SUNDAR e DEEVI, 2004).
3.2.5. Sinterização
A etapa de sinterização é de máxima importância no processo de MPI, pois irá definir as
propriedades finais das peças e irá depender de diversos fatores, que estão resumidamente
expostos a seguir:
A composição dos pós e as fases presentes nos pós utilizados;
A forma em que se encontram os pós: elementar ou pré-ligado;
O tamanho, forma e distribuição das partículas;
A taxa de aquecimento do material;
A temperatura máxima e o tempo em que será mantido a esta temperatura;
A atmosfera do forno;
A taxa de resfriamento do material.
O processo MPI, tal qual a metalurgia do pó, está baseado principalmente na
densificação através da difusão no estado sólido na etapa de sinterização, pois neste processo
a temperatura de fusão da maior parte dos constituintes não é alcançada. A etapa de
sinterização tem como conceito físico o transporte de matéria, ativado termicamente, em uma
massa de pós ou compactado poroso, resultando na diminuição da superfície específica livre
pelo crescimento de contatos entre as partículas, redução do volume dos poros e alteração da
geometria dos poros (THUMMLER e OBERACKER, 1993).
Existem três estágios que podem ser caracterizados durante o processo de
sinterização: O primeiro se caracteriza pela formação dos pescoços (necks), onde a cinética
dominante são os gradientes de curvatura próximos aos pescoços. Neste estágio haverá uma
estrutura de poros abertos, de formatos irregulares e ainda é possível identificar as partículas.
No segundo estágio as partículas começam a perder a identidade devido a um alto crescimento
29
dos pescoços, formando uma rede interconectada e pode ser observado o crescimento de
grãos. Esta etapa apresentará o maior percentual de densificação do material e definirá em
grande parte as suas propriedades. No último estágio os poros se tornam isolados e
arredondados, a densificação se torna lenta, devido ao aprisionamento dos gases no interior
dos poros (GERMAN, 1996). Ainda segundo German (1996), uma das energias que contribuem
para que o pó sinterize, é alta energia superficial presente no mesmo. Esta energia faz com
que haja movimentos atômicos no sentido de diminuir a energia do sistema. A energia de
superfície por unidade de volume depende do inverso do diâmetro da partícula e, portanto,
quanto menor for a partícula, maior será a energia associada à mesma. Em cada um dos
contatos formados entre as partículas estabelece-se um contorno de grão, com uma energia
associada a ele. Estes contornos são regiões de defeitos que proporcionam alta mobilidade
atômica. O pescoço (neck) formado entre as duas partículas diminui a energia superficial
devido à redução da área superficial total. Os mecanismos de transporte de massa para a
região do pescoço são feitos através do processo de difusão. Difusão é um processo
termicamente ativado e depende de uma energia mínima para que seja atingida a energia de
ativação para movimentação atômica. De acordo com a relação de Arrhenius o número de
átomos varia com a temperatura. Onde: N - são os átomos ativados; N0 - é o total de átomos; E
- é a energia de ativação; k - é a constante de Boltzmann; T - é a temperatura absoluta.
kTE
NN exp
0
( 3-1)
Como pode ser verificado na equação 4-1 quanto maior a temperatura maior será a
movimentação atômica, e maior serão as ligações entre as partículas. Há vários mecanismos
possíveis de transporte de matéria, e geralmente um será predominante. Todavia, muitos
materiais sinterizam por uma combinação de modos de fluxo de massa e, pequenas
mudanças nos parâmetros do processo, como, tamanho de partícula, temperatura ou tempo,
podem levar a mudanças nos mecanismos de transporte de massa. Isto torna difícil a definição
dos mecanismos atuantes (GERMAN e BOSE, 1997).
30
Existem técnicas já conhecidas para alcançar maiores níveis de densidade no processo
de MPI, como exemplo, o uso de menor tamanho de partícula, adição de elementos criando
gradiente químico, tempo maior de sinterização e temperaturas mais elevadas. Mas estes
fatores devem ser estudados para cada material, pois podem levar a outras implicações, tais
como, encarecimento do processo ou geração de defeitos na microestrutura, tal como, a
separação dos poros do contorno de grão dificultando a densificação do material. Para as ligas
à base de FeCo sinterizadas German (1997) sugere um processamento com temperatura de
sinterização de 1250°C com patamar de 1 hora para o FeCo e 1350°C com patamar de 4
horas para o FeCo2V.
O processo MPI proporciona uma grande flexibilidade de misturas de pós e, estas
misturas podem formar materiais compósitos ou havendo homogeneização formar uma solução
sólida. Em MPI, para a formação de uma solução sólida, é necessária uma homogeneização
da mistura de pós pelo processo de difusão, formando uma única fase (GERMAN, 1996). O
grau de homogeneização (H) é definido como a variação química ponto a ponto e varia com a
taxa de difusão e com o tamanho de partícula, como mostra a equação a seguir, onde: D - é a
difusividade; t - é o tempo; Y – é a escala de segregação microestrutural que depende do
tamanho de partícula e quantidade relativa de componentes (GERMAN, 1996).
2YtDH ( 3-2)
A homogeneização ocorrerá com a difusão de um material dentro do outro, e analisando
a equação 4-1, pode ser concluído que pequenos tamanhos de partícula levam a mais rápida
homogeneização, pois as distâncias de difusão são pequenas. Até mesmo para sistemas de
fracas interações, os gradientes de potencial químico são grandes e a homogeneização
freqüentemente domina o início da sinterização. Os gradientes de composição aumentam os
fluxos difusionais, e a interface entre fases auxilia a criação de vacâncias enquanto retarda o
crescimento de grãos (GERMAN, 1996). Muitos sistemas de misturas de pós são quimicamente
ativos com energia livre de mistura maior do que a energia de superfície. Nestes casos, a
31
sinterização irá ocorrer pela reatividade entre os pós devido a um alto calor de reação
exotérmica gerado durante o ciclo térmico a que o material está sendo submetido. Quanto
maior a atividade química, maior será controle da sinterização pela solubilidade e pelas
reações químicas entre os pós (GERMAN, 1996). A transformação de ordem-desordem leva
aparentemente a um aumento da energia de ativação de difusão volumétrica. A energia de
ativação de difusão volumétrica é maior na estrutura ordenada do que na estrutura
desordenada. Enquanto que a energia de ativação de difusão no contorno de grão não muda
significantemente com a transição de temperatura de ordenamento (TOKEI, 1998).
O fenômeno de sinterização de fases geradas a partir de misturas de pós depende de
fatores químicos e físicos, tais como, tamanho de partícula, forma de partícula, composição e,
homogeneização. A contração na sinterização depende não apenas da temperatura e do
tempo, mas também da composição, tamanho de partícula, conectividade das fases e
densidade a verde (GERMAN, 1996). As interações químicas podem ser observadas a partir da
construção de diagramas de fases e a homogeneização pode ser medida através de
metalografia quantitativa, difração de raios x e magnetização.
32
4. Materiais e Métodos
Este capítulo apresenta as técnicas, métodos e materiais utilizados na preparação das
amostras e dos experimentos, que tinham o objetivo de analisar a influência da condição do pó
e do elemento vanádio na liga de FeCo nas duas rotas de processamento via MPI e a
influência da freqüência elétrica nas propriedades magnéticas das ligas à base de Fe e Co.
4.1. Processamento
4.1.1. Materiais utilizados
Para realização deste estudo, os materiais metálicos utilizados para a formação da
massa de injeção foram os pós de ferro, cobalto e vanádio na forma elementar e os pós de
Fe50Co e Fe49Co2V na forma pré-ligada, como apresentado na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 – Pós metálicos estudados no processamento via MPI.
Tamanho médio de partícula
Densidade de batida Condição do pó Material Fabricantes
(µm) (g/cm³) Ferro carbonila OM Basf 4,1 4,1
Cobalto extrafino Umicore 1,4 2,2 Elementar Vanádio Alfa Aesar <44 ***
FeCo Atmix 8,50 4,40 Pré-ligado
FeCo2V Atmix 9,96 4,42
Visando obter as melhores propriedades com os menores custos de processamento,
analisaram-se os pós na forma elementar e na forma pré-ligada em duas rotas de
processamento de custos distintos. Na Figura 4.1 são apresentadas fotos dos pós utilizados
para preparação das amostras, onde é possível observar que há diferença no tamanho e
formato dos pós. Em relação aos pós pré-ligados, o pó de FeCo apresenta uma grande
variação de tamanho e formato menos esférico do que o pó pré-ligado de FeCo2V.
33
Ferro carbonila Cobalto
Vanádio
FeCo pré-ligado FeCo2V pré-ligado
Figura 4.1 – Pós elementares e pré-ligados utilizados para produção das amostras.
O custo dos pós está apresentado na Tabela 4.2, onde pode ser observado para a
fabricação de uma peça de FeCo obtida a partir pós elementares o custo pode ser até 50%
menor do que uma peça obtida a partir de pós pré-ligados. A liga pré-ligada de FeCo2V é
vendida ao mesmo preço da liga sem vanádio. Em relação à liga com o vanádio elementar não
é adequada uma comparação com as outras ligas, pois o preço do elemento vanádio
apresentado é para a compra de apenas 40 gramas, o que torna muito caro o material. Neste
valor, o pó aumentaria em cerca de 50% o preço da liga, sendo que a utilização do mesmo só
seria justificável se apresentasse vantagens econômicas em algum outro aspecto.
Tabela 4.2 – Custo dos pós elementares e pré-ligados.
Tipo de pó USD massa V 130.4 40g Fe 7.7 1kg Co 52 1kg
FeCo 60 1kg FeCo2V 60 1kg
34
Os materiais poliméricos utilizados para a preparação da massa de injeção de todas as
ligas sinterizadas estão listados na Tabela 4.3.
Tabela 4.3 – Materiais poliméricos da massa de injeção.
Material polimérico Parafina
Polipropileno Amida Graxa
Acetato de vinil etila Antioxidante
Com o intuito de obter uma referência para as propriedades obtidas com as amostras
fabricadas pelo processo MPI, foram usinados anéis para caracterização magnética a partir do
material produzido via fusão, comercialmente denominado Permendur 2V (conforme ASTM-
A801 Tipo 1). De acordo com as informações do fabricante da liga fundida Permendur 2V, o
material apresentará as propriedades magnéticas mostradas na Tabela 4.4, após serem
submetidas a um tratamento térmico de recozimento. A atmosfera deve ser de hidrogênio com
taxa de 15ºC/min até alcançar a temperatura de 850ºC, nesta temperatura é realizado um
patamar de 2 horas, em seguida o resfriamento com taxa de 93ºC por hora até 315ºC, e então
resfriado sem controle térmico com atmosfera de hidrogênio mantida até temperatura
ambiente.
Tabela 4.4 – Propriedades magnéticas medidas pelo fabricante do material de referência Permendur 2V após tratamento térmico.
Liga Campo aplicado (A/m) Mínima densidade de fluxo exigido (T)
Densidade de fluxo medido (T)
796 1,5 1,89 1592 1,75 2,13 3979 1,95 2,25
Referência fundida -
Permendur 2V 7958 2,15 2,28
*Testado pelo fabricante conforme norma ASTM A773/A773M-01.
A composição química desse material fundido e dos pós utilizados estão apresentados
na Tabela 4.5 conforme análise dos fabricantes.
35
Tabela 4.5 – Composição química dos pós e do material de referência fundido.
Materiais utilizados
Fe Co V FeCo FeCo2V Permendur 2V Fe 98,3 68 ppm 49,878 48,672 49,81 Co 99,87 49,89 49,04 47,99 V 99,9 1,91 1,88 Si 0,05 11 ppm 0,18 0,22 0,02 P 0,006 0,005 0,005 S 5 ppm 0,003 0,004 0,001 Cr 0,02 0,06 0,08 Mn 7 ppm 0,01 0,03 0,02 Ni 364 ppm 0,01 0,03 0,18 C 0,80 120 ppm 0,003 0,009 0,014 O 0,17 0,5 2200 ppm 2700 ppm
Mo 0,01
Cu 9 ppm 0,01 Ca 10 ppm
Composição Química
(%massa)
N 0,69
4.1.2. Preparação da massa de injeção
A mistura foi preparada em um equipamento misturador do tipo Z, componente do
Reômetro Reomix Haake, a uma temperatura de 180°C, sendo a velocidade de rotação das
pás de 70rpm por um tempo de 60 minutos para homogeneização da massa. Os polímeros
foram adicionados juntamente com os pós metálicos. Nesta etapa foi definida a carga sólida
com base no torque gerado pelas pás do misturador conforme apresentado na revisão
bibliográfica, item 3.2.2. Como pode ser observado na Tabela 4.6, a carga metálica variou
para cada liga devido às diferentes características dos pós metálicos utilizados.
Tabela 4.6- Carga metálica das misturas.
Liga Condição do pó
Fe (%massa)
Co (% massa)
V (% massa)
Carga metálica (% massa)
FeCo Elementar 48,656 51,344 --- 88 FeCo Pré-ligado 49,878 49,890 --- 93
FeCo2V Elementar 47,790 50,431 1,779 90 FeCo2V Pré-ligado 48,672 49,040 1,91 92,5
Para alimentar a máquina injetora, a massa preparada foi triturada após o resfriamento
em um granulador de laminas rotativas de marca SEIBT, produzindo grânulos de
aproximadamente 8 mm.
36
4.1.3. Injeção das peças
Na produção dos corpos de prova foi utilizada uma máquina de injeção Arburg
Allrounder 320S de pressão máxima de injeção de 250 MPa. Injetou-se corpos de prova com
dois formatos distintos, um para caracterização mecânica conforme MPIF Standard 50 (Figura
4.2 - A) e outro na forma de anel para caracterização magnética(Figura 4.2 - B) conforme
norma ASTM A773. O primeiro corpo de prova também foi utilizado na caracterização elétrica
da resistividade. As dimensões dos moldes dos corpos de prova injetados estão apresentadas
na Figura 4.2.
(A)Corpo de prova de tração
(B) Corpo de prova para análise magnética
Figura 4.2 – Corpos de prova processados via MPI.
Devido à diferença na quantidade de ligante os parâmetros de injeção tiveram de ser
alterados para cada liga. Os parâmetros utilizados para injeção das peças estão apresentados
na tabela 4.7.
37
Tabela 4.7 – Parâmetros de injeção.
Liga Fe50Co Fe50Co FeCo2V FeCo2V
Condição do pó para
formação da liga Elementar Pré-ligado Pré-ligado Elementar
Pressão de injeção 900 bar 1400bar 1400 bar 900 bar Pressão de recalque 800 bar 900 bar 900 bar 800 bar
Velocidade de injeção 40mm/s 40mm/s 40mm/s 40mm/s Temperatura no bico 190°C 190°C 190°C 190°C
Temperatura 1 185°C 185°C 185°C 185°C Temperatura 2 180°C 180°C 180°C 180°C Temperatura 3 175°C 175°C 175°C 175°C
Parâmetros de injeção
Temperatura 4 170°C 170°C 170°C 170°C
4.1.4. Extração química dos ligantes por solvente
Todas as peças foram submetidas à mesma rota de extração química utilizando o
solvente do tipo hexano. Nessa etapa eliminaram-se a parafina, acetato de vinil etila, amida
graxa e oxidante. A extração química foi realizada em um ciclo de uma hora em imersão no
vapor e 16 horas em líquido saturado de hexano, a uma temperatura de 65ºC. Para certificar-se
da extração completa, nesta etapa realizaram-se medidas de massa antes e após o ciclo
completo.
Após a etapa de extração química, duas rotas diferentes de extração térmica e
sinterização foram analisadas, principalmente devido à diferença de custos de processamento
entre as rotas.
4.1.5. Extração térmica com pré-sinterização e sinterização em forno a vácuo
No ciclo de extração térmica com pré-sinterização (ETP), utilizou-se um tempo total de
42 horas, aquecimento em atmosfera de hidrogênio a 100Pa (1x10-3atm) até 980°C, com
patamar de 3 horas. Quando atingida a máxima temperatura, modificou-se a atmosfera para
uma mistura de 65% Argônio e 35% hidrogênio. O resfriamento foi feito com taxa de
aproximadamente 1,7°C por minuto. Após o ETP as peças foram submetidas a um ciclo total
de sinterização de 8 horas em forno a vácuo (FV). A temperatura máxima de sinterização foi de
1330°C com patamar de 3 horas e pressão parcial de 8x10-2Pa (7.9x10-7 atm) com mistura 90%
de Argônio e 10% de hidrogênio em seguida submetido a um resfriamento forçado. Um gráfico
38
com os ciclos de ETP e sinterização em FV está apresentado na Figura 4.3 para melhor
visualização.
0
500
1000
1500
0 10 20 30 40 50 60
Tempo (h)
Tem
pera
tura
(°C
)
ETPFV
Figura 4.3 - Ciclo de ETP e sinterização em FV.
O tratamento térmico é muito utilizado nos processos convencionais de produção de
peças à base de FeCo e aplicado de acordo com as propriedades que se deseja obter. O
tratamento utilizado, na rota apresentada anteriormente, não foi o ideal para obtenção das
melhores propriedades magnéticas das ligas à base de FeCo, pois devido à falta de
equipamentos não foi possível reproduzir as rotas em escala laboratorial e as amostras foram
processadas em ciclos padrões da empresa parceira sem a possibilidade de mudanças nos
ciclos térmicos. Para comprovar a possibilidade de melhorar as propriedades magnéticas em
amostras produzidas via MPI, algumas peças foram submetidas a um tratamento térmico de
sinterização com resfriamento controlado, após a etapa de pré-sinterização. O ciclo está
apresentado na Figura 4.4 com a sigla TTO (tratamento térmico de resfriamento). As ligas
testadas foram: de FeCo produzida com pós elementares, e a de FeCo2V produzida com pós
pré-ligados. No ciclo de sinterização com TTO foi utilizado um forno tubular com atmosfera de
95%Argônio+5%Hidrogênio.
0
500
1000
1500
0 10 20 30 40 50 60Tempo (h)
Tem
pera
tura
(°C
) ETPTTO
Figura 4.4 – Ciclo com tratamento térmico de resfriamento otimizado.
39
4.1.6. Extração termoquímica com atmosfera oxidante e sinterização em forno
mufla
Após a etapa de extração química as amostras foram submetidas ao ciclo de extração
termoquímica com atmosfera oxidante (ETO) para retirada do polímero polipropileno.
Conforme apresentado na Figura 4.5, o ciclo utilizado foi de 60 horas com temperatura máxima
de 500°C, com atmosfera oxidante e pressão ambiente.
0
500
1000
1500
0 20 40 60 80 100
Tempo (h)
Tem
pera
tura
(°C
)
ETOFM
Figura 4.5 - Ciclo de ETO e sinterização em FM.
A redução dos óxidos e sinterização foi realizada em um forno mufla (FM). Antes de
iniciar o ciclo de redução e sinterização o forno foi limpo com um fluxo de nitrogênio. Foi
necessário um tempo 30 horas para atingir a temperatura de sinterização de 1250°C, foi
realizado um patamar de 3 horas, e resfriamento com taxa de 1,4°C por minuto, sendo o ciclo
total de 48 horas. Para redução dos óxidos foi utilizada uma atmosfera de 90% de Argônio e
10% de hidrogênio. Um gráfico com os ciclos de ETO e sinterização em FM está apresentado
na Figura 4.5 para melhor visualização.
Uma preocupação para uso desta rota no processamento da liga de FeCo2V é a
presença do elemento vanádio na liga, pois esse elemento possui um óxido estável e difícil de
ser reduzido. Entretanto, a rota de ETO+FM, devido à energia consumida e os gases utilizados,
representa um terço do custo comparada à rota ETP+FV, e por isso deu validade a avaliação
do comportamento das ligas nesta rota. É importante salientar que neste trabalho serão
avaliadas ligas à base de FeCo e que, por se tratar de um estudo inicial, somado à
complexidade do processo utilizado na obtenção das peças, poderá haver variação na
composição química devido às diferentes rotas de processamento testadas.
40
4.2. Métodos de caracterização
4.2.1. Caracterizações preliminares
Um bom entendimento das propriedades magnéticas, elétricas e mecânicas requer um
conhecimento da microestrutura e estrutura, portanto foram realizadas análises de densidade,
microscopia ótica e eletrônica e espectroscopia de energia dispersiva.
I. Densidade das misturas para injeção
O ensaio densidade das misturas para injeção foi realizado para certificar-se que não
houve erros durante a preparação da massa em relação à porcentagem de ligantes. Para
realizar o ensaio foi utilizado um picnômetro a gás que fornece o volume do material através da
medida de deslocamento do gás hélio a partir de uma célula de referência.
II. Densidade das amostras sinterizadas
A densidade é um importante indicativo da eficiência do processamento de material via
MPI uma vez que a amostra parte de um estado de baixíssima densidade e precisa garantir
que a etapa de sinterização está sendo efetiva. O método utilizado para a avaliação da
densidade dos componentes sinterizados foi o de imersão em água, de acordo com o método
de Arquimedes para verificar o volume deslocado pelo material na água. Devido à grande
variação de porosidade nas amostras elas foram seladas com parafina antes da medida,
conforme British Standard BS EN ISO 2738:2000 . Nestas análises foi utilizada uma balança
de precisão com resolução de 0,0001 gramas e água destilada a temperatura ambiente como
liquido de referência.
III. Retração dimensional
A escolha do material e rota de processamento inadequado leva a distorções
dimensionais das peças no momento da extração e sinterização. Por este motivo é importante
a realização de uma análise dimensional medindo a diferença nas dimensões do corpo injetado
41
antes e após a sinterização. Como instrumento de medida nessa análise foi utilizado um
paquímetro com incerteza de 0,02mm.
IV. Microscopia ótica
Através da microscopia ótica é possível definir o tamanho, quantidade e forma dos
poros e grãos presentes no material. Para realização desta análise foi realizada a preparação
metalográfica das amostras. Para a preparação superficial as amostras foram cortadas,
embutidas com baquelite, lixadas com lixas de até 2000mesh, polidas com diamante de 0,3µm.
O ataque químico foi realizado com um reagente conhecido como Marble com solução de
composição de 1g CuSO; 4,5ml HCl; 5ml H2O.
V. Microscopia eletrônica de varredura e Espectroscopia de
energia dispersiva
Para analisar a composição química e a homogeneização das ligas estudadas foi
utilizado o microscópico eletrônico de varredura Phillips XL30 do laboratório LCM da
Universidade federal de Santa Catarina que possui integrado uma microsonda de
espectroscopia de energia dispersiva de raios x, que realiza análise pontual da composição
química. A rota ETO+FM era uma preocupação no processamento da liga FeCo2V devido à
grande reatividade química do elemento vanádio com o oxigênio e por isso foi analisado a liga
de FeCo2V produzida com pós pré-ligados e elementares para verificar a formação de óxido de
vanádio e se os mesmos são reduzidos na etapa de sinterização.
VI. Análise térmica diferencial (ATD)
A análise térmica diferencial (ATD) foi utilizada para auxiliar na otimização do
processamento, permitindo definir o ciclo térmico de modo a evitar fases indesejadas em cada
etapa do processamento. Foram realizadas análises em duas amostras de FeCo obtidas com
pós elementares e FeCo2V obtidas com pós pré-ligados, ambas processadas nas rotas
ETP+FV e ETP+TTO. Para análise foi utilizada a técnica de análise térmica diferencial no
equipamento STA Netzsch, modelo 409 C. Nas amostras testadas foi aplicado um ciclo de
42
10°C/min com atmosfera de mistura 95% de Argônio e 5% de hidrogênio até a temperatura de
1250°C.
4.2.2. Propriedades elétricas
Para a análise de resistividade elétrica foi utilizado o método a quatro pontos, utilizando
como amostra a parte cilíndrica do corpo de prova de tração, conforme apresentado na Figura
4.6. O motivo para utilizar esse corpo de prova e não um corpo de prova específica do por
norma é de que no processo MPI, a fabricação de amostras depende da fabricação de moldes
de alto custo. Por esse motivo foi realizada uma análise de resistividade com finalidade mais
qualitativa do que quantitativa, uma vez que não foi possível fabricar uma amostra conforme
norma de ensaio.
Figura 4.6 - Equipamento utilizado para análise de resistividade.
No ensaio foi aplicada uma corrente contínua através de uma fonte DC variável. Os
valores aplicados de corrente foram próximos de 1A sendo realizadas 3 medidas por amostra,
sendo que para cada condição foram analisadas 10 amostras. O contato da fonte com a
amostra foi feito através de um dispositivo que pressiona dois contatos em forma de ponta
contra as extremidades da amostra. Com isso, procura-se tornar uniforme a pressão e a área
de contato. A distância entre os contatos para aplicação da corrente elétrica e para leitura da
tensão foi mantida para todas as amostras. Foi então medida a tensão na amostra nos pontos
marcados com um multímetro de precisão Yokogawa. As medidas de diâmetro foram
43
realizadas com um paquímetro com resolução de 0.02mm na região de menor diâmetro. Não
foi verificado aquecimento em nenhuma das amostras.
4.2.3. Propriedades magnéticas
Para análise das propriedades magnéticas foi utilizado o método do anel conforme
norma ASTM A773. As amostras foram fabricadas na forma de anel de secção transversal
quadrada seguindo a relação de razão entre o diâmetro externo e interno menor que 1,4
conforme específica do por norma. As amostras foram preparadas envolvendo cada anel com
duas bobinas de fio de cobre separadas por uma fina camada de material isolante, conforme
ilustrado na Figura 4.7.
Figura 4.7 - Bobinamento primário e secundário para caracterização magnética.
Para traçar as curvas de histerese e magnetização foi utilizado o equipamento
TCH5000 conforme mostrado na Figura 4.8.
Figura 4.8 - Equipamento traçador de curvas de histerese e magnetização.
O equipamento é composto de uma fonte de corrente alternada de até 10 Amperes, um
gerador de funções e uma unidade de aquisição de dados, a qual integra também um
Amostra com isolamento
Amostra bobinada
Preparação das bobinas
44
fluxímetro e um amperímetro, que se conectam a um computador. O campo está associado à
corrente elétrica aplicada, portanto o enrolamento primário é conectado a um amplificador de
potencia que irá suprir a corrente de magnetização I. Através do software é possível ajustar a
freqüência que será aplicada ao material, devido à interface de comunicação entre o software e
o gerador de funções. Este gerador envia um sinal à fonte de corrente. Uma corrente senoidal
é utilizada permitindo um melhor controle da curva de histerese a baixas freqüências (<100
Hz). A amplitude máxima também pode ser controlada pelo usuário através do software ou de
um potenciômetro. A queda de voltagem medida através do resistor é proporcional à
intensidade do campo H. Para circuitos magnéticos fechados e enrolamentos uniformemente
distribuídos, o valor do campo magnetizante será estimado pela seguinte expressão:
LINH
1
Equação 4-1
Onde: H = campo magnético aplicado em A/m; N1 = número de espiras do enrolamento
primário; I = corrente elétrica no enrolamento primário em Ampere; L = comprimento do circuito
magnético em metro.
A variação do fluxo magnético será calculada utilizando a voltagem induzida no
segundo enrolamento N2 quando aplicado o campo produzido pelo enrolamento primário. Com
o número de espiras no enrolamento secundário é definido o campo induzido, pela seguinte
equação:
ABCRN
2 Equação 4-2
Onde: B = Indução magnética em T; λ = tensão na saída do integrador em V; RC =
constante de tempo do circuito integrador em s (10-1, 10-2 ou 10-3); N2 = número de espiras do
secundário; A = área da seção da amostra em m2.
Para obtenção da curva de histerese, seleciona-se uma determinada freqüência de
medição, a corrente desejada e a tensão. O equipamento aplica um campo crescente na
amostra e registra ao mesmo tempo os campos induzidos. O campo aplicado cresce até um
45
valor máximo que depende do número de espiras do bobinamento primário, e do valor de
corrente e tensão selecionados. A partir daí, começa a ser reduzido até atingir o valor zero e
avançar para campos no sentido oposto até novamente o valor máximo. Novamente o campo é
reduzido até zero e o ciclo de histerese se completa. Os dados são passados para o software
no computador que fornece o gráfico de indução (B) em função do campo aplicado (H). Através
da curva de histerese, obtêm-se as propriedades do material de indução de magnética,
coercividade e perdas. Já para a obtenção da curva de magnetização a amplitude de corrente
é aumentada durante o experimento, começando do zero, e as medições são feitas no ponto
de saturação de cada curva. Com a curva de magnetização do material é possível obter a
permeabilidade.
Para caracterização das propriedades magnéticas dos anéis foi aplicado um campo
máximo de 4000A/m, e para cada condição foram analisadas 7 amostras. As análises foram
realizadas em duas freqüências O valor de 0,05 Hz foi escolhido no intuito de analisar as
propriedades do material sem que haja perdas magnéticas dinâmicas. O valor de 17 Hz foi
escolhido por ser a freqüência utilizada na aplicação da liga de FeCo2V na válvula magnética.
As condições apresentadas anteriormente foram utilizadas para todas as rotas, com exceção
da rota com resfriamento otimizado onde foi utilizado um campo de 2000A/m com freqüência
de 0,05 Hz e apenas três amostras foram analisadas.
4.2.4. Propriedades mecânicas
Para avaliar as propriedades mecânicas das ligas foi realizado o teste de tração, onde
se obteve a tensão máxima de resistência, a tensão de escoamento e a deformação específica.
A produção dos corpos de prova e o ensaio de tração seguem o método da norma MPIF 50
para materiais produzidos pelo processo de MPI. A geometria e as dimensões do inserto do
molde estão apresentadas na Figura 4.2. O ensaio foi realizado em uma máquina universal de
ensaios Shimadzu AG-IS 100 kN com velocidade de 0,3mm/s. Para cada condição analisada
foram produzidos 5 corpos de prova de tração.
46
5. Resultados e discussões
Os resultados foram analisados utilizando a técnica estatística de variância multifatorial
para uma comparação mais confiável dos fatores avaliados. Para a análise estatística foi
utilizado o software Statgraphics Centurion.
5.1. Caracterizações preliminares
5.1.1. Densidade das misturas para injeção
Após a etapa de mistura, os materiais foram divididos em relação à condição do pó e o
tipo de liga, posteriormente, foram separados também pela rota de processamento. Os
resultados de densidade da mistura de injeção, apresentados na Tabela 5.1, estão de acordo
com a carga de sólidos e ligantes que foi utilizada para cada mistura, confirmando que não
houve erros na etapa de mistura.
Tabela 5.1 – Densidade das misturas de injeção
Liga Condição do pó Densidade (g/cm³) FeCo Elementar 4,12 FeCo Pré-ligado 5,23
FeCo2V Elementar 4,60 FeCo2V Pré-ligado 5,37
5.1.2. Retração dimensional
A primeira análise realizada após o processamento completo foi o de retração
dimensional, esses valores forneciam resultados qualitativos da densidade das ligas. Na
Tabela 5.2 estão apresentadas as retrações lineares medidas nos corpos de prova de tração.
É importante lembrar que a carga de ligantes nas misturas elementares foi maior do que nas
misturas pré-ligadas e, portanto esperava-se uma retração maior dessas ligas. As ligas obtidas
com pós pré-ligados foram mais afetadas pela rota de processamento do que as obtidas com
pós elementares, pois obtiveram menor contração. Para as ligas processadas com pós
elementares os resultados mostram que a contração da liga de FeCo foi praticamente igual à
47
liga sem o elemento vanádio, portanto, o terceiro elemento teve pouca influência na
densificação destas ligas.
Tabela 5.2 – Contração dimensional das ligas ao final do processamento MPI.
Processamento Material Condição do Pó Retração (%) préligado 8 FeCo elementar 20 pré-ligado 0
ETP - 980°C FeCo2V
elementar 18 préligado 13 FeCo elementar 21 pré-ligado 15
ETP+FV - 1330°C FeCo2V
elementar 19 préligado 14 FeCo elementar 18 pré-ligado 9
ETO+FM - 1250°C FeCo2V
elementar 17
O resultado mais interessante das ligas produzidas com pós elementares é de que após
a etapa, chamada de “pré-sinterização” as ligas já estavam praticamente com a sua contração
final e, portanto já na etapa final de sinterização.
A Figura 5.1 ilustra a retração dos anéis após o processamento. A liga de FeCo2V
processada com pós elementares na rota ETO+FM, apresentou formação de óxidos visíveis a
olho nu ao final do processamento.
Figura 5.1 – Anéis após o processamento com diferentes rotas e tipos de pó.
Nas Figura 5.2-a e Figura 5.2-b estão apresentados os corpos de prova de tração, de
FeCo e FeCo2V, processados com os pós elementares e pré-ligados, nas rotas ETP, ETP+FV
e ETO+FM. Com esta figura é possível visualizar mais facilmente a maior contração linear
48
sofrida pelas amostras produzidas a partir de pós elementares. A liga de FeCo2V, processada
com pó pré-ligado, na rota ETO+FM, apresentou contração bem menor do que na rota ETP+FV
e a as amostras ficaram com uma aparência escura ao final do processamento. No estado pré-
sinterizado a liga de FeCo2V possuía grande fragilidade e não houve contração dimensional.
a b
Figura 5.2 - Corpos de prova de tração de FeCo (a) e FeCo2V (b).
5.1.3. Densidade das amostras sinterizadas
Os resultados de densidade das amostras sinterizadas estão apresentados na Tabela
5.3.
Tabela 5.3 – Densidade das amostras sinterizadas de FeCo e FeCo2V.
Processamento FeCo elementar
FeCo pré-ligado
FeCo2V pré-ligado
FeCo2V elementar
Média (g/cm³) 7.893 7.230 7.741 7.868 ETP+FV (1330°C) Desvio padrão 0.047 0.039 0.019 0.006 Média (g/cm³) 7.748 6.807 4.843 7.564 ETP (980°C) Desvio padrão 0.068 0.175 0.118 0.022 Média (g/cm³) 7.746 7.643 6.702 7.421 ETO+FM (1250°C) Desvio padrão 0.049 0.089 0.278 0.016
Os resultados de densidade das amostras fundidas usadas como referência para o
processo MPI estão apresentados na Tabela 5.4, e mostram que as ligas obtidas pelo
processo MPI alcançaram até 97% da densidade da liga fundida.
Tabela 5.4 – Densidade da liga fundida usada como referência.
Liga Densidade (g/cm³) Média 8.082 Amostra Referência
(2V Permendur) Desvio padrão 0.011
49
Para uma melhor visualização dos resultados obtidos para cada rota de processamento,
serão apresentados a seguir, gráficos com os resultados médios e com intervalo de
confiabilidade de 95% para as ligas de FeCo e FeCo2V processadas com os pós elementares
e pré-ligados.
a. Rota extração térmica com pré-sinterização e sinterização em forno a vácuo.
Os resultados de densidade das amostras pré-sinterizadas estão apresentados à
esquerda da Figura 5.3, e os resultados na condição sinterizada, à direita da figura. As ligas
processadas com os pós elementares (linha pontilhada), apresentaram os maiores valores.
Após a etapa de pré-sinterização (980°C), as ligas processadas com pós elementares,
apresentaram valores próximos aos obtidos na sinterização (1330°C), mostrando um efeito
benéfico do uso do gradiente de composição química para a densificação. As ligas pré-
sinterizadas foram submetidas a todas as análises apresentadas neste trabalho. É possível
afirmar que a temperatura de sinterização da liga com pós elementares pode ser menor do que
1330°C, e para que haja um aumento da densidade é necessária uma modificação do ciclo de
pré-sinterização, pois a maior parte da densificação ocorre nessa etapa.
M a te ria l
4 ,7
5 ,7
6 ,7
7 ,7
8 ,7
Den
sida
de (
g/cm
³)
F eC o F e C o 2 V
T ip o P óE leP ré
ETP - 980°C M ateria l
7 ,2
7,4
7,6
7,8
8
Den
sida
de (
g/cm
³)
FeC o FeC o2V
Tipo PóElePré
ETP+FV – 1330°C Figura 5.3 – Resultados de densidade das amostras processadas nas rotas ETP e ETP+FV.
Pelos resultados apresentados na Figura 5.3 pode ser observado que a cinética de
reação entre as partículas dos pós pré-ligados (linha cheia) é bem diferente dos pós
elementares (linha pontilhada), pois apresentaram grande variação entre as etapas de pré-
sinterização e sinterização. A liga de FeCo processada com pós pré-ligados alcançou o menor
valor de densidade na etapa de sinterização, este resultado pode ter sido causado pela
50
distribuição de tamanho dos pós pré-ligados (Figura 4.1) que possuía partículas muito grandes,
levando a uma diminuição da energia superficial e, portanto, menor força motriz para a difusão.
A outra causa pode ser conferida nos resultados apresentados mais adiante, onde é possível
observar que esta liga apresentou alta taxa de crescimento de grão levando a uma diminuição
das regiões de mobilidade atômica e aprisionamento dos poros dentro do grão. Os resultados
mostram ainda, que diferente das outras ligas, a difusão da liga de FeCo2V quando no estado
pré-ligado só irá ocorrer em temperaturas maiores que 980°C. Em síntese para a rota ETP+FV,
os melhores resultados foram alcançados pelas ligas processadas com pós elementares, com
e sem o elemento vanádio. A condição dos pós para o processamento tem influência muito
maior do que o elemento vanádio na liga.
b. Rota de extração térmica em atmosfera oxidante e sinterização em forno mufla.
Após o ciclo de ETO, as peças produzidas com pós pré-ligados estavam com maior
fragilidade do que os processados com pós elementares. Uma das causas é que as ligas feitas
a partir de pós elementares possuem tamanho de partícula menor e, portanto, maior área de
contato oxidada. Além disso, há uma diferença de reatividade dos pós com o oxigênio quando
na forma elementar ou quando na forma de liga. A partir dos resultados apresentados na
Figura 5.4 é possível concluir as ligas de FeCo não foram influenciadas pelo tipo de pó. As
ligas de FeCo2V foram mais afetadas pela rota de processamento ETO+FM, e sofreram
influência do tipo de pó utilizado, sendo que os melhores resultados foram obtidos para as
amostras processadas com pó elementar, que alcançou valores próximos aos obtidos pela liga
sem vanádio.
M a te ria l
6 ,5
6 ,8
7 ,1
7 ,4
7 ,7
8
Den
sida
de (
g/cm
³)
F e C o F e C o 2 V
T ip o P óE leP ré
Figura 5.4 – Densidade das peças processadas pela rota ETO+FM.
51
5.1.4. Análise microestrutural
I. Micrografias obtidas com microscópio ótico
As micrografias das amostras sem ataque químico estão apresentadas na Figura 5.5.
Com esses resultados observou-se que houve diferença na porosidade das ligas, inclusive na
forma e a distribuição dos poros. Além disso, algumas ligas que apresentaram a formação de
segunda fase. As amostras de FeCo, após a etapa ETP, e FeCo2V após rota ETO+FM,
processadas com o pó pré-ligado, apresentaram a formação de uma estrutura de poros
irregulares e em fase de coalescimento. Na liga processada com os pós elementares na rota
ETP+FV os poros já estão coalecidos e arredondados. Para a liga de FeCo2V obtida com pós
elementares foi observada a formação de uma segunda fase em todas as rotas de
processamento.
FeCo (Pó elementar)
FeCo (Pó pré-ligado)
FeCo2V (Pó elementar)
FeCo2V (Pó pré-ligado)
ETP+FV - 1330°C ETP+FV - 1330°C ETP+FV - 1330°C ETP+FV - 1330°C
ETP - 980°C ETP - 980°C ETP - 980°C
ETO+FM - 1250°C ETO+FM - 1250°C ETO+FM - 1250°C ETO+FM - 1250°C
Figura 5.5 - Micrografias das ligas à base de FeCo sinterizadas (Sem ataque, aumento de 500x).
Além da densidade e distribuição de poros, que terão influência nas propriedades
magnéticas da liga, o tamanho de grão também poderá alterar as propriedades. Na Figura 5.6
estão apresentadas as micrografias após ataque químico, revelando o tamanho de grão
52
alcançado em cada condição analisada. Foi possível observar que as amostras de FeCo
apresentam um crescimento de grão elevado, aprisionando os poros dentro do grão e não
permitindo uma maior densificação. A situação mais crítica ocorre para a liga de FeCo
processada com pós pré-ligados onde os poros ainda estavam com formatos irregulares e em
fase de coalecimento. Esse resultado mostra que para as ligas processadas com os pós pré-
ligados, a ação do vanádio, impedindo o crescimento do grão, é benéfica para alcançar maior
densidade. A liga de FeCo2V processada com pó pré-ligado na rota ETO+FM não apresentou
a formação de segunda fase e nesta rota as amostras apresentaram grande porosidade, uma
aparência superficial escura. Para a liga de FeCo2V, processada com pós elementares e
submetida à rota ETP+FV, foi observado que no estado pré-sinterizado havia partículas de pó
não solubilizadas, que diminuíram de tamanho após a sinterização. Essas partículas
provavelmente seriam do pó de vanádio que possuíam um tamanho maior que os outros pós.
Para confirmar essa hipótese foi realizada uma análise química com equipamento EDX.
FeCo (Pó elementar)
FeCo (Pó pré-ligado)
FeCo2V (Pó elementar)
FeCo2V (Pó pré-ligado)
ETP+FV - 1330°C ETP+FV - 1330°C ETP+FV - 1330°C ETP+FV - 1330°C
ETP - 980°C ETP - 980°C ETP - 980°C
ETO+FM - 1250°C ETO+FM - 1250°C ETO+FM - 1250°C ETO+FM - 1250°C
Figura 5.6 - Micrografias das ligas à base de FeCo sinterizadas (Ataque Marble, aumento de 500x).
53
A micrografia do material referência, obtido em processos tradicionais, está apresentada
na Figura 5.7, para comparação com os resultados obtidos no processo MPI. A direita da figura
está apresentada a micrografia em maior detalhe.
Material referência fundido - 2V Permendur
Aumento 100x Aumento 500x
Figura 5.7 – Micrografia do material fundido referência para o processo MPI.
O material utilizado como referência apresentou grãos equiaxiais próprio de ligas
obtidas por fusão, e com tamanho de grão similar aos obtidos nas amostras sinterizadas. Além
disso, não há a presença de porosidade que degrada as propriedades magnéticas do material.
II. Análise química com sonda EDX
Os resultados do percentual atômico das ligas processadas com pós elementares e pré-
ligados estão apresentados na Tabela 5.5.
Tabela 5.5 – Percentual atômico de elementos formadores das ligas.
Tipo V Fe Co C O Al Si Processamento Material
de Pó Fase
(%at) (%at) (%at) (%at) (%at) (%at) (%at) FeCo Elementar 49.08 50.92
a 0.89 48.55 50.55 ETP 980°C FeCo2V Elementar b 89.08 3.63 7.29
FeCo Elementar 49.72 50.28 a 1.87 47.14 50.99 ETP+FV 1330°C
FeCo2V Elementar b 37.67 30.19 32.13
FeCo Elementar 49.58 50.42
c 0.38 48.16 51.46 FeCo2V Elementar
d 54.02 3.26 3.34 39.37 ETO+FM 1250°C
FeCo2V pré-ligado 2.96 42.72 44.04 7.12 2.17 0.98
Através dos resultados, pode-se observar que na liga de FeCo processada com pó
elementar, houve a formação de solução sólida com aproximadamente 50% de cada elemento
54
na rota de sinterização ETP+FV, ETO+FM, e inclusive após a etapa ETP. Este resultado indica
que a liga já estava na condição sinterizada após 980°C.
As amostras de FeCo2V processadas com pós elementares apresentaram a formação
de segunda fase (Figura 5.8) e foram realizadas análises para definição da composição
química das mesmas, como pode ser verificado na Tabela 5.5.
a ETP - Pó elementar ETP+FV - Pó elementar ETO+FM - Pó elementar
Figura 5.8 – Segunda fase encontrada nas amostras de FeCo2V processada com pós elementares.
Após a etapa ETP, o pó de vanádio entrou em solução com o ferro e cobalto na liga de
FeCo2V, porém não alcançou a quantidade de 2% de vanádio na fase a, restando uma fase b
rica em vanádio. Na rota de sinterização ETP+FV, houve um aumento do percentual de
vanádio na fase a, porém, devido ao grande tamanho de partícula do pó de vanádio, não
solubilizou completamente restando ainda uma segunda fase b com menor percentual de
vanádio que na etapa ETP. Esse resultado mostra que o pó de vanádio deveria ter menor
tamanho para que houvesse uma solubilização completa e em menor tempo. A liga de FeCo2V
elementar não alcançou a solubilização de 2% de vanádio na rota ETO+FM, solubilizando
apenas 0,38% devido à oxidação do pó de vanádio, conforme indica a fase c na Tabela 5.5. A
fase d mostra uma composição principalmente de vanádio e oxigênio. Houve uma pequena
interação do vanádio com a liga de FeCo, mesmo havendo a oxidação. Talvez com o uso do
elemento vanádio com menor tamanho de partícula essa interação seja maior. É interessante
observar que na forma pré-ligada, as amostras de FeCo2V processadas via ETO+FM, não
apresentaram óxidos de vanádio e sim a presença de carbono. Esse resultado leva à hipótese
de que a etapa de redução dos ligantes não foi eficiente para essa liga. Contudo a redução dos
óxidos foi eficiente, já que não foram encontrados óxidos na análise. Portanto, o elemento
a
b c
d
a
b
55
vanádio quando em solução sólida com outros elementos tem a reatividade com o oxigênio
modificada. A diferença de contração e densidade para essa liga deve estar mais relacionada
com a baixa difusão desta liga na temperatura aplicada somada com uma extração de ligantes
ineficiente. Hipótese que pode ser confirmada pelo comportamento da liga na rota ETP, em que
não foi observada nenhuma contração, sendo necessária a temperatura de 1330°C para que
houvesse maior densificação. Os elementos Si e Al também estavam presentes em quantidade
não desprezíveis, como não havia outra fonte para que houvesse a presença destes
elementos, a conclusão é que sejam resquícios do polimento. Os resultados mostraram que o
processamento da liga com o elemento vanádio foi afetado pela condição do pó.
Importante salientar, que neste estudo, estão sendo analisadas as propriedades obtidas
de acordo com o processamento e é sabido que haverá diferença nas propriedades de acordo
com a composição química obtida em cada uma das rotas, mas a intenção a princípio é
descobrir o comportamento dos materiais no processamento.
5.1.5. Análise térmica
Os resultados do ensaio de análise térmica diferencial estão apresentados na Figura
5.9, e mostram as temperaturas em que ocorrem as transições de fase para as ligas de FeCo e
FeCo2V.
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0 250 500 750 1000 1250
Temperatura (°C)
Ene
rgia
(mW
/mV
)
FeCo FVFeCoV FV
Figura 5.9 – Análise térmica diferencial das ligas de FeCo e FeCo2V.
A diferença na posição dos picos no aquecimento e resfriamento pode ser explicada
pelo atraso na transformação devido à taxa de resfriamento não ter sido lenta o suficiente, mas
56
mostra que para uma mesma condição a liga com o elemento vanádio possui um
comportamento diferente.
Tabela 5.6 – Temperatura de transição de fases das ligas de FeCo elementar e FeCo2V pré-ligado.
Material CCC <->CFC CCC <-> ordenado Pico anômalo Aquecimento 960 716 550
FeCo2V Resfriamento 847 697 **** Aquecimento 990 738 553
FeCo Resfriamento 951 686 **** Chen (1977) cita temperatura de transição da estrutura CFC para CCC para a liga com
2% de vanádio de 880°C. Analisando os resultados na Tabela 5.6, é possível observar que há
um decréscimo maior do que o citado por Chen, na temperatura de transição para o material
que contém o vanádio. O resultado da transição no aquecimento é importante para definição do
ciclo de processamento, pois na etapa de extração e pré-sinterização (ciclo ETP – 980°C) o
material foi submetido a um ciclo térmico que ultrapassa a temperatura de transição (960°C) da
liga de FeCo2V, enquanto que para a liga de FeCo a temperatura máxima não alcança a
temperatura de transição (990°C). A fase cristalina em que o material se encontra no momento
da sinterização é um fator importante para o aumento da densidade do material, pois a difusão
será diferente em cada estrutura. Por exemplo, a energia de ativação de difusão no volume é
maior na estrutura ordenada do que na desordenada, enquanto a energia de ativação de
difusão no contorno de grão não muda significativamente quando cruza a temperatura de
transição (TÔKEI, 1999). O resultado mostra também que a liga de FeCo, mantém a estrutura
CCC desordenada por uma faixa maior de temperatura em relação à liga de FeCo2V, resultado
importante para definição do ciclo de resfriamento do material. Foi observado um pico a 550°C
e segundo Sourmail (2005), trata-se de uma anomalia, que corresponde a um pico secundário
na capacidade térmica abaixo da reação de ordenamento. Alguns autores sugerem que o pico
parece ser sensitivo ao tratamento térmico empregado (NORMANTON, 1975 apud SOURMAIL,
2005). Existe inclusive um estudo que sugere que este pico corresponde a uma transição de
fase (USTINOVSHIKOV e TRESHEVA, 1998).
57
5.2. Propriedades elétricas
Os resultados de resistividade estão apresentados na Tabela 5.7.
Tabela 5.7 – Resistividade das ligas estudadas.
Resistividade (ohm.m) Processamento Liga Tipo de pó Média Desvio padrão
Elementar 4.36E-07 1.42E-08 FeCo2V
Pré-ligado 5.19E-07 2.74E-08 Elementar 5.76E-08 3.18E-09
ETP+FV FeCo
Pré-ligado 1.02E-07 3.77E-09 Elementar 1.09E-07 3.67E-09
FeCo2V Pré-ligado 1.52E-07 2.72E-08 Elementar 6.02E-08 3.31E-09
ETO+FM FeCo
Pré-ligado 7.91E-08 6.00E-09 Elementar 5.77E-08 4.90E-09
FeCo Pré-ligado 1.42E-07 7.78E-09 ETP
FeCo2V Elementar 2.85E-07 2.97E-09
Os resultados da Tabela 5.7, estão apresentados a seguir na forma de gráficos para
comparação dos fatores avaliados.
I. Resistividade elétrica das amostras processadas via ETP+FV.
A Figura 5.10 mostra que o elemento vanádio exerce maior influência nos resultados de
resistividade do que o tipo de pó. A liga com o elemento vanádio apresentou valores de
resistividade em torno de uma ordem de grandeza maior do que a liga de FeCo. As ligas
quando processadas com o pó pré-ligado, possuem um valor maior de resistividade do que
com o pó elementar.
Material
0
1
2
3
4
5
6(X 1,E-7)
Res
istiv
idad
e (o
hm.m
)
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Figura 5.10 – Resistividade elétrica obtida para as ligas processadas na rota ETP+FV.
58
II. Resistividade elétrica das amostras processadas via ETP.
Conforme a Figura 5.11, a liga de FeCo2V apresentou o maior valor de resistividade
elétrica para a rota ETP. Porém esse valor foi menor do que após a etapa de sinterização em
FV, devido à menor quantidade de vanádio solubilizado na liga. A liga de FeCo processada
com pó pré-ligado apresentou o maior valor entre as ligas de FeCo analisadas. A liga de
FeCo2V obtida a partir de pós pré-ligados não foi analisada, devido à grande fragilidade.
M ateria l
-1
4
9
14
19
24
29
(X 1,E -8)
Res
istiv
idad
e (o
hm.m
)
FeCo FeCo2V
Tipo PóEleP ré
Figura 5.11 - Resistividade elétrica obtida para as ligas processadas na rota ETP.
III. Resistividade elétrica das amostras processadas via ETO+FM.
Conforme Figura 5.12, na rota ETO+FM o tipo de pó teve influência para a liga de
FeCo2V, mas não para a liga de FeCo. A oxidação da liga de FeCo2V processada com pós
elementares não foi eficiente para aumentar a resistividade, e a baixa solubilização do vanádio
na liga de FeCo levou a valores semelhantes à liga de FeCo. A liga de FeCo2V obtida com pós
pré-ligados deve ter sofrido a oxidação conforme citado no subcapítulo 3.2.4, já que não foi
observada a formação de óxidos após a etapa de sinterização, mas a presença de grande
quantidade de poros, o que acabou diminuindo a resistividade da liga. Na rota ETO+FM as
ligas de FeCo2V tiveram um decréscimo das propriedades em relação à rota ETP+FV.
M a te r ia l
0
3
6
9
1 2
1 5
1 8(X 1 ,E -8 )
Res
istiv
idad
e (o
hm.m
)
F e C o F e C o 2 V
T ip o P óE leP ré
Figura 5.12 - Resistividade elétrica obtida para as ligas processadas na rota ETO+FM.
59
As propriedades magnéticas das ligas são deterioradas com o aumento da freqüência
elétrica, devido à geração de correntes induzidas. O aumento da resistividade do material pode
amenizar essa deteriorização.
5.3. Propriedades magnéticas
Neste tópico, inicialmente serão apresentadas as propriedades do material fundido, que
serviram como referência para as propriedades obtidas com o processo MPI. Em seguida são
mostradas as propriedades obtidas no processo MPI, que estão divididas por rota de
processamento, sendo a primeira rota ETP+FV, em seguida ETO+FM. Na rota ETP+FV foram
avaliadas as propriedades após a etapa de pré-sinterização, ETP, e após um tratamento com
resfriamento controlado, TTO.
5.3.1. Material referência (2V Permendur)
A curva de histerese, analisada com freqüência de 0,05 Hz, e o laço BH com freqüência
de 17 Hz, das amostras de referência, estão apresentados a seguir.
-2.4
-1.6
-0.8
0
0.8
1.6
2.4
-1000 -500 0 500 1000
H (A/m)
B (T
)
-2.4
-1.6
-0.8
0
0.8
1.6
2.4
-5000 -2500 0 2500 5000
H (A/m)
B (T
)
0,05 Hz 17 Hz
Figura 5.13 – Curva de histerese e laço BH obtidos para o material referência.
O resultado da Figura 5.13, mostra que há um aumento da área interna da curva
quando há um aumento da freqüência para 17 Hz, devido à presença de correntes de Focault
que aumentam as perdas deteriorando os valores relativos às propriedades magnéticas moles.
60
A degradação dos valores de permeabilidade com o aumento da freqüência pode ser
observada na Figura 5.14.
0
2000
4000
6000
8000
10000
0 0.5 1 1.5 2B (T)
µ m
áx re
lativ
a
0,05Hz17Hz
Figura 5.14 - Permeabilidade máxima relativa em função do campo induzido para o material referência.
As propriedades mostradas anteriormente na forma de gráficos estão apresentadas a
seguir na Tabela 5.8 para melhor visualização dos valores alcançados.
Tabela 5.8 – Média e desvio padrão das propriedades magnéticas do material referência.
Liga Freqüência (Hz)
B (T)
µ máx relativa
Hc (A/m)
Perda (J/m³)
Media 2.23 10126 85 375 0.05 Desv.Pad. 0.04 564 3 49
Media 2.24 2269 955 8678 2V Permendur
17 Desv.Pad. 0.04 100 25 272
Os resultados da Tabela 5.8 mostram que a liga é bastante afetada na freqüência de
17 Hz, pois há uma queda acentuada da permeabilidade e um aumento da coercividade e
conseqüentemente das perdas.
5.3.2. Rota de extração térmica com pré-sinterização e sinterização em forno a
vácuo.
A seguir estão apresentadas, as curvas de histerese analisadas com freqüência de 0,05
Hz e os laços BH analisados com 17 Hz, obtidas para as amostras de FeCo e FeCo2V,
processadas com pós elementares e pré-ligados na rota ETP+FV.
61
-2
-1
0
1
2
-1000 -500 0 500 1000
H (A/m)
B (T
)FeCoV pré-ligadoFeCoV elementarFeCo pré-ligadoFeCo elementar
Figura 5.15 – Curvas de histerese de ligas processadas via ETP+FV, freqüência de análise 0,05 Hz.
-2.2
-1.1
0
1.1
2.2
-5000 -2500 0 2500 5000
H (A/m)
B (T
)
FeCoV pré-ligado FeCoV elementar FeCo pré-ligado FeCo Elementar
Figura 5.16 – Laço BH de ligas processadas via ETP+FV, freqüência de análise 17 Hz.
0
2000
4000
6000
0 0.5 1 1.5 2B (T)
µ m
áx re
lativ
a
FeCoV pré-ligadoFeCoV elementarFeCo pré-ligadoFeCo elementar
Figura 5.17 – Permeabilidade de ligas processadas via ETP+FV, freqüência de análise 0,05 Hz.
0
500
1000
1500
2000
2500
0 0.5 1 1.5 2B (T)
µ m
áx re
lativ
a
FeCo2V pré-ligado FeCo2V elementarFeCo pre-ligado FeCo elementar
Figura 5.18 - Permeabilidade das ligas processadas via ETP+FV, freqüência de análise 17 Hz.
As propriedades mostradas anteriormente na forma de gráficos estão apresentadas na
Tabela 5.9 para melhor visualização dos valores alcançados.
62
Tabela 5.9 – Média e desvio padrão das propriedades magnéticas obtidas na rota ETP+FV.
Processamento Liga Condição do pó
Freqüência (Hz)
B (T) µ máx Hc
(A/m) Perda (J/m³)
1.88 2375 260 1433 0.05 0.02 78 5 83 1.88 1700 857 6612 Pré-ligado
17 0.02 30 11 232 2.02 3161 111 686 0.05 0.03 524 5 28 2.02 2303 890 6752
FeCo2V
Elementar 17
0.03 95 19 236 1.87 5546 180 1038 0.05 0.09 641 6 79 1.88 1440 1751 12648 Pré-ligado
17 0.09 23 72 1126 2.12 5635 158 1049 0.05 0.04 671 5 97 2.13 1375 1964 15976
ETP+FV
Fe50Co
Elementar 17
0.04 87 46 723 2.23 10126 85 375 0.05 0.04 564 3 49 2.24 2269 955 8678
Fundição e Conformação
Material referência 2V Permendur
17 0.04 100 25 272
Para analisar a influência dos dois fatores “material e tipo de pó” nas propriedades
magnéticas, foi realizada uma análise estatística dos resultados obtidos para as amostras
processadas na rota ETP+FV na freqüência de 0,05 Hz e 17 Hz. Estas análises estão
apresentadas a seguir para cada propriedade, apresentando o valor médio e o intervalo de
confiabilidade de 95%.
I. Permeabilidade relativa para as amostras processadas via ETP+FV
Conforme apresentado na Figura 5.19, os melhores resultados de permeabilidade das
amostras processadas pela rota ETP+FV, analisadas com freqüência de 0,05 Hz, foram obtidos
pela liga de FeCo, sendo que a condição inicial do pó não teve influência na permeabilidade. A
liga de FeCo2V foi mais afetada pela condição do pó do que a liga de FeCo, sendo que os
melhores resultados foram obtidos para a liga processada com os pós no estado elementar.
63
Material
1900
2900
3900
4900
5900
6900P
erm
eabi
lidad
e m
áx
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Mat. Ref. - 10126
Material
1300
1500
1700
1900
2100
2300
2500
Per
mea
bilid
ade
máx
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Mat. Ref. - 2269
0,05 Hz 17 Hz
Figura 5.19 – Permeabilidade das amostras processadas na rota ETP+FV.
Quando aplicada uma freqüência de campo maior, houve uma queda acentuada dos
valores para ambas as ligas, e também uma inversão dos resultados, e a liga de FeCo2V
passou a apresentar os maiores resultados de permeabilidade, devido à maior resistividade
das ligas com o elemento vanádio. Além disso, o tipo de pó passou a ter um efeito maior para a
liga de FeCo2V., devido ao maior tamanho de grão da liga processada com os pós
elementares. Foi possível concluir que com o aumento da freqüência, a permeabilidade é mais
afetada pela resistividade do que pelo tamanho de grão. Pois mesmo com um tamanho de grão
maior do que a liga de FeCo2V, a liga de FeCo, tem um decréscimo muito maior da
permeabilidade.
II. Indução de saturação para as amostras processadas via ETP+FV
A propriedade de indução de saturação, das ligas de FeCo e FeCo2V, não foi afetada
pela variação da freqüência, mas sim pelo tipo de pó, conforme mostra a Figura 5.20. Os
maiores valores foram obtidos para a liga processada com os pós elementares. Quando
processadas com pós pré-ligados, apresentou resultados semelhantes. A liga FeCo, obtida
com pós elementares, apresentou o melhor resultado.
64
Material
1,8
1,9
2
2,1
2,2In
duçã
o S
atur
ação
(T
)
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Mat. Ref. - 2,23T
Material
1,8
1,9
2
2,1
2,2
Indu
ção
Sat
uraç
ão (
T)
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Mat. Ref. – 2,24T
0,05 Hz 17 Hz
Figura 5.20 – Indução de saturação das amostras processadas na rota ETP+FV.
III. Coercividade para as amostras processadas via ETP+FV
Com freqüência de 0,05 Hz, os resultados de coercividade da liga FeCo, foram pouco
afetados pela condição inicial do pó, conforme apresentado na Figura 5.21. Ao contrário da liga
de FeCo2V, que sofreu uma influência significativa em relação ao tipo de pó utilizado. Os
melhores resultados foram obtidos pela liga de FeCo2V processada com pós na forma
elementar, que possuíam o maior tamanho de grão. Com o aumento da freqüência para 17 Hz,
houve um grande aumento da coercividade para as duas ligas, porém a mais afetada foi a liga
FeCo de menor resistividade.
Material
100
130
160
190
220
250
280
Coe
rciv
idad
e (A
/m)
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Mat. Ref. – 85A/m
Material
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Coe
rciv
idad
e (A
/m)
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Mat. Ref. – 955A/m
0,05 Hz 17 Hz
Figura 5.21 - Coercividade das amostras processadas na rota ETP+FV.
IV. Perdas magnéticas para as amostras processadas via ETP+FV
As menores perdas, na freqüência de 0,05 Hz, foram alcançadas pela liga de FeCo2V
obtida com pós elementares, conforme mostra a Figura 5.22. Esse material sofreu grande
65
influência pela condição do pó, diferente da liga de FeCo. Com o aumento da freqüência as
duas ligas sofreram um aumento significativo das perdas, e a condição do pó deixou de ter
influência para a liga de FeCo2V e passou a influenciar para a liga de FeCo. Esse resultado
pode ser atribuído a diferença de tamanho de grão e da indução de saturação destas ligas.
Material
620
820
1020
1220
1420
1620
Per
das
(J/m
³)
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Mat. Ref. – 375J/m³
Material
6
8
10
12
14
16
18(X 1000,0)
Per
das
(J/m
³)
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Mat. Ref. – 8678J/m³
0,05 Hz 17 Hz
Figura 5.22 – Perdas magnéticas das amostras processadas na rota ETP+FV.
A liga de FeCo, processada com pós elementares na rota ETP+FV, analisada com
freqüência de 0,05 Hz, apresentou os melhores resultados em comparação com o material
referência. Porém, com freqüência de 17 Hz houve uma inversão e a liga de FeCo2V,
processada com pó elementar, apresentou os melhores valores, inclusive melhor que a liga
fundida no quesito perdas, porém não alcançou o valor de indução da liga fundida. Se uma
sinterização adequada for aplicada para eliminação completa da porosidade, a propriedade de
saturação deve ser equivalente a de um material fabricado via fusão.
5.3.2.1 Rota de extração térmica com pré-sinterização
A seguir estão apresentadas as curvas de histerese e permeabilidade em função do
campo aplicado, obtidas para as ligas de FeCo e FeCo2V, processadas com pós elementares
e pré-ligados, na etapa ETP.
66
ETP 980ºC
-2
-1
0
1
2
-1000 -500 0 500 1000
H (A/m)
B (T
)FeCoV elementarFeCo pré-ligadoFeCo elementar
Figura 5.23 - Ligas processadas via ETP, freqüência de análise 0,05 Hz.
ETP 980ºC
-2
-1
0
1
2
-5000 -2500 0 2500 5000
H (A/m)
B (T
)
FeCoV elementar FeCo pré-ligado FeCo elementar
Figura 5.24 - Ligas processadas via ETP, freqüência de análise 17 Hz.
0
2000
4000
6000
0 0.5 1 1.5 2B(T)
µ m
áx re
lativ
a
FeCoV elementarFeCo pré-ligadoFeCo elementar
Figura 5.25 - Permeabilidade das ligas processadas via ETP, freqüência de análise 0,05 Hz.
0
500
1000
1500
2000
0 0.5 1 1.5 2B (T)
µ m
áx re
lativ
a
FeCo2V elementarFeCo pre-ligado FeCo elementar
Figura 5.26 - Permeabilidade das ligas processadas via ETP, freqüência de análise 17 Hz.
67
As propriedades mostradas anteriormente na forma de gráficos estão apresentadas na
Tabela 5.10. Para comparação, os resultados do material de referência também estão
apresentados.
Tabela 5.10 – Média e desvio padrão das propriedades magnéticas obtidas na rota ETP.
Processamento Liga Condição do pó
Freqüência (Hz)
B (T) µ máx Hc
(A/m) Perda (J/m³)
1,76 3951 121 720 0,05 0,02 159 9 72 1,77 1789 1035 6659 FeCo2V Elementar
17 0,02 45 40 306 1,44 3085 219 919 0,05 0,08 233 4 65 1,44 937 1596 8694 Pré-ligado
17 0,09 22 77 999 1,95 5583 219 1385 0,05 0,11 1276 27 193 1,96 1003 2131 15942
ETP
Fe50Co
Elementar 17
0,11 71 39 1030 2,23 10126 85 375 0,05 0,04 564 3 49 2,24 2269 955 8678
Fundição e Conformação
Material referência 2V Permendur
17 0,04 100 25 272
Comparando com os resultados do material referência, em freqüência de 0,05 Hz, as
propriedades das ligas processadas na rota ETP não alcançaram o valor de saturação e a
permeabilidade foi no máximo a metade do valor da liga fundida. Este resultado deve ter sido
causado pela diferença de densidade das amostras. Entretanto com freqüência de 17 Hz a liga
FeCo2V obtida com pós elementares exibiu propriedades próximas da liga fundida, com
exceção da indução de saturação. A seguir é apresentada uma análise estatística para verificar
o quanto a etapa de sinterização influenciou nos resultados.
I. Permeabilidade relativa das amostras pré-sinterizadas e sinterizadas.
Os resultados apresentados na Figura 5.27, mostraram que o material sem o elemento
vanádio, analisado com freqüência de 0,05 Hz, possui a maior permeabilidade nos dois
estados de processamento, pré e sinterizado. Mostram também que a diferença entre os
processamentos é maior na freqüência de 17 Hz.
68
Material
2800
3800
4800
5800
6800P
erm
eabi
lidad
e m
áx
FeCo FeCo2V
ProcessamentoETPETP+FV
Material
900
1200
1500
1800
2100
2400
Per
mea
bilid
ade
máx
FeCo FeCo2V
ProcessamentoETPETP+FV
0,05 Hz 17 Hz
Figura 5.27 – Permeabilidade das amostras processadas na rota ETP.
Na freqüência de 0,05 Hz, a liga com o elemento vanádio, apresentou um valor de
permeabilidade maior no estado pré-sinterizado do que no estado sinterizado. A liga de FeCo
obteve valores próximos nos dois estados de processamento. Resultado interessante, pois a
liga no estado pré-sinterizado ainda possui um pequeno tamanho de grão e, portanto, mais
barreiras para movimentação dos domínios magnéticos. Porém, no estado sinterizado as ligas
sofreram um resfriamento rápido a partir da fase gama e pode ter havido uma transformação
martensítica, formando a estrutura α’, levando a uma queda da permeabilidade, Mas o
resultado também pode ter sido causado pela menor solubilização de vanádio no FeCo na pré-
sinterização. Portanto, na freqüência de 0,05 Hz, a transformação de fase ou a solubilização
tiveram influência maior do que o tamanho de grão. Entretanto, com o aumento da freqüência,
o material no estado pré-sinterizado sofre efeito das perdas dinâmicas e a liga após
sinterização alcança o maior valor, sugerindo que a solubilização do vanádio deve ter tido
maior influência. Essa questão precisa ser analisada, pois o resultado pode levar à conclusão
de que a liga de FeCo2V é mais susceptível ao tratamento térmico do que a liga de FeCo. Vale
lembrar que a liga de FeCo sofre o ordenamento cristalino mesmo com resfriamento forçado.
II. Indução de saturação das amostras pré-sinterizadas e sinterizadas.
O processamento possui efeito na indução de saturação, conforme mostra a Figura
5.28. Entretanto, as freqüências analisadas não afetaram a indução de saturação. Os maiores
valores foram obtidos para as ligas após sinterização, resultado esperado já que a densidade
nesta condição foi maior. Entre os materiais, a liga de FeCo apresentou os maiores valores.
69
Material
1,7
1,8
1,9
2
2,1
2,2In
duçã
o S
atur
ação
(T
)
FeCo FeCo2V
ProcessamentoETPETP+FV
Material
1,7
1,8
1,9
2
2,1
2,2
Indu
ção
Sat
uraç
ão (
T)
FeCo FeCo2V
ProcessamentoETPETP+FV
0,05 Hz 17 Hz
Figura 5.28 - Indução de saturação das amostras processadas na rota ETP.
III. Coercividade das amostras pré-sinterizadas e sinterizadas
Os resultados apresentados na Figura 5.29, mostram que na freqüência de 0,05 Hz, os
menores valores de Hc foram obtidos na liga de FeCo2V, que não sofreram influência do
processamento, ao contrário da liga de FeCo. Na freqüência de 17 Hz, há um grande aumento
da coercividade, e os menores resultados são obtidos para a liga com vanádio no estado
sinterizado. Na freqüência de17 Hz, as condições de processamento tiveram pequeno efeito
na coercividade.
Material
100
130
160
190
220
250
Coe
rciv
idad
e (A
/m)
FeCo FeCo2V
ProcessamentoETPETP+FV
Material
800
1100
1400
1700
2000
2300
Coe
rciv
idad
e (A
/m)
FeCo FeCo2V
ProcessamentoETPETP+FV
0,05 Hz 17 Hz
Figura 5.29 - Coercividade das amostras processadas na rota ETP.
Foi possível observar a importância do elemento vanádio, que apesar de ocasionar
defeitos como uma segunda fase paramagnética, apresentou valores menores de coercividade
do que a liga de FeCo. Na freqüência de 17 Hz, o tamanho de grão deve ter sido responsável
pela diminuição da coercividade com a mudança da rota de processamento.
70
IV. Perdas magnéticas das amostras pré-sinterizadas e sinterizadas.
A liga de FeCo2V possui as menores perdas e não é afetada pelo processamento,
conforme mostra a Figura 5.30. A liga de FeCo possui perdas maiores e o processamento tem
um efeito significativo na freqüência de 0,05 Hz.
Material
620
820
1020
1220
1420
1620
Per
das
(J/m
³)
FeCo FeCo2V
ProcessamentoETPETP+FV
Material
6
8
10
12
14
16
18(X 1000,0)
Per
das
(J/m
³)
FeCo FeCo2V
Processamento
ETPETP+FV
0,05 Hz 17 Hz
Figura 5.30 - Perdas magnéticas das amostras processadas na rota ETP.
Na freqüência de 17 Hz há um aumento de aproximadamente 10 vezes nas perdas
magnéticas para as duas ligas. Como esperado, em freqüências maiores o material com
vanádio apresentou as menores perdas.
Os resultados mostram que em freqüência de 0,05 Hz, a liga de FeCo2V é menos
afetada pela condição pré ou sinterizada do que a liga de FeCo, mas existe uma diferença
significativa na propriedade de indução magnética devido à diferença de densidade nas duas
etapas do processamento. Na freqüência de 17 Hz o processamento passa a ter influência
semelhante para os dois materiais. Esses resultados são muito importantes, pois mostram que
as ligas obtidas a partir de pós elementares, processadas em uma rota com temperatura muito
menor do que as usualmente utilizadas no processamento dessas ligas, alcançam boas
propriedades magnéticas moles. Vale lembrar que o ciclo utilizado na pré-sinterização é padrão
da empresa parceira e foi utilizado para os dois materiais FeCo e FeCo2V, mesmo sabendo
que com a adição do vanádio na liga, o comportamento termodinâmico é diferente, e portanto,
o tratamento térmico não deveria ser igual. Se fosse aplicado um ciclo otimizado para cada liga
na etapa ETP as propriedades ficariam ainda melhores e é possível que a etapa posterior
pudesse ser excluída do processamento.
71
5.3.2.2 Rota com tratamento térmico de resfriamento
As curvas de histerese e permeabilidade em função do campo induzido, obtidas com as
ligas processadas com ciclo de resfriamento controlado, estão apresentadas a seguir.
-2
-1
0
1
2
-1000 -500 0 500 1000
H (A/m)
B (T
)
FeCo2V TTOFeCo2V ETP+FV
-2
-1
0
1
2
-1000 -500 0 500 1000
H (A/m)
B (T
)
FeCo TTOFeCo ETP+FV
FeCo2V FeCo
Figura 5.31 - Ligas de FeCo e FeCo2V com e sem TTO de resfriamento.
0
1000
2000
3000
4000
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0B (T)
µ m
áx re
lativ
a
FeCo2V TTO FeCo2V ETP+FV
0
4000
8000
12000
16000
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0B (T)
µ m
áx re
lativ
a
FeCo TTOFeCo ETP+FV
FeCo2V FeCo
Figura 5.32 - Permeabilidade das ligas de FeCo2V e FeCo, com e sem TTO de resfriamento.
Os resultados retirados das curvas estão apresentados na Tabela 5.11, para melhor
visualização dos valores.
Tabela 5.11 – Resultados obtidos com e sem o tratamento térmico de resfriamento.
Processamento Material Bs(T) µ max Hc (A/m)
Perdas (J/m³)
Densidade (g/cm³)
1,93 4639 102 540 7,89 FeCo2V 0,002 758 6 50 0,03 2,18 15218 60 670 8,09 ETP+TTO
FeCo 0,01 112 0,6 52 0,001 2.06 5635 135 880 7,89 FeCo 0,04 671 6 61 0,05 1.78 2375 255 1425 7,74 ETP+FV
FeCo2V 0.03 78 3 47 0,01
O valor de permeabilidade duplicou e a coercividade caiu pela metade, após TTO da
liga de FeCo2V. A liga de FeCo também teve seu valor de permeabilidade aumentado em
72
aproximadamente 3 vezes, enquanto a coercividade diminuiu para menos de 50% do valor
original. Os resultados mostram que uma simples substituição dos ciclos de tratamento térmico
que foram utilizados pode melhorar significativamente as propriedades magnéticas moles das
ligas analisadas.
5.3.3. Rota de extração térmica com atmosfera oxidante e sinterização em forno
mufla.
A seguir estão apresentadas, as curvas de histerese, os laços BH e a permeabilidade,
analisadas com freqüência de 0,05 Hz e 17 Hz, das amostras processadas na rota ETO+FM.
-2
-1
0
1
2
-1000 -500 0 500 1000
H (A/m)
B (T
)
FeCoV pré-ligadoFeCoV elementarFeCo pré-ligadoFeCo elementar
Figura 5.33 - Ligas processadas via ETO+FM, freqüência de análise 0,05 Hz.
-2
-1
0
1
2
-5000 -2500 0 2500 5000
H (A/m)
B (T
)
FeCoV pré-ligadoFeCoV elementarFeCo pré-ligadoFeCo elementar
Figura 5.34 - Ligas processadas via ETO+FM, freqüência de análise 17 Hz.
73
0
2000
4000
6000
8000
0 0.5 1 1.5 2B (T)
µ m
áx re
lativ
a
FeCoV pré-ligado FeCoV elementarFeCo pré-ligadoFeCo elementar
Figura 5.35 - Permeabilidade de ligas processadas via ETO+FM, freqüência de análise 0,05 Hz.
0
200
400
600
800
1000
0 0.5 1 1.5
B (T)
µ m
áx re
lativ
a
FeCo2V pré-ligado FeCo2V elementarFeCo pré-ligado FeCo elementar
Figura 5.36 - Permeabilidade de ligas processadas via ETO+FM, freqüência de análise 17 Hz.
As propriedades mostradas anteriormente na forma de gráficos estão apresentadas na
Tabela 5.12 para melhor visualização dos valores alcançados.
Tabela 5.12 – Média e desvio padrão de propriedades magnéticas obtidas na rota ETO+FM.
Processamento Liga Condição do pó
Freqüência (Hz)
B (T) µ máx Hc
(A/m) Perda (J/m³)
1.19 1356 344 1410 0.05 0.04 90 2 52 1.19 590 1674 7361 Pré-ligado
17 0.03 6 30 321 1.73 3289 174 967 0.05 0.05 134 4 51 1.74 931 1639 10445
FeCo2V
Elementar 17
0.05 29 27 375 1.94 3920 249 1352 0.05 0.03 129 5 84 1.95 841 2028 14784 Pré-ligado
17 0.04 16 46 404 2.01 6883 203 1300 0.05 0.05 1011 16 119 1.99 884 2213 16670
ETO+FM
Fe50Co
Elementar 17
0.04 21 27 332 2.23 10126 85 375 0.05 0.04 564 3 49 2.24 2269 955 8678
Fundição e Conformação
Material referência 2V Permendur
17 0.04 100 25 272
74
A seguir será apresentado da mesma forma que para a rota anterior, uma comparação
das propriedades obtidas de acordo com o “material e o tipo de pó utilizado”.
I. Permeabilidade das amostras processadas via ETO+FM
Na freqüência de 0,05 Hz, a liga de FeCo produzida com o pó elementar, que
apresentou o maior tamanho de grão, apresentou também os maiores valores de
permeabilidade, conforme mostra a Figura 5.37. Os resultados de permeabilidade foram
influenciados pela condição do pó. O material com vanádio, que apresentou a menor
densidade e tamanho de grão, foi a liga mais afetada nesta rota de processamento. Com o
aumento da freqüência, houve uma queda acentuada da permeabilidade, e o tipo de pó deixou
de ter influência para a liga de FeCo. A liga de FeCo2V obtida a partir de pós elementares
obteve resultado próximo da liga de FeCo, mesmo com a presença de óxidos, devido à baixa
solubilização do elemento vanádio nesta rota.
Material
0
2
4
6
8
(X 1000,0)
Per
mea
bilid
ade
máx
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Mat. Ref. – 10126
Material
570
670
770
870
970
Per
mea
bilid
ade
máx
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Mat. Ref. – 2269
0,05 Hz 17 Hz
Figura 5.37 - Permeabilidade das amostras processadas na rota ETO+FM.
II. Indução de saturação das amostras processadas via ETO+FM
A indução de saturação não apresentou variação com o aumento da freqüência de
acordo com a Figura 5.38. Os maiores valores foram obtidos com as ligas FeCo de maior
densidade. A liga de FeCo2V sofreu maior influência pelo tipo de pó utilizado, e os melhores
resultados foram obtidos com o pó elementar, sendo que a porosidade da liga produzida com
pós pré-ligados, mostrou ter maior influência do que os óxidos presentes na liga obtida a partir
de pós elementares.
75
M ateria l
1 ,1
1 ,3
1,5
1,7
1,9
2,1
Indu
ção
Sat
uraç
ão (
T)
FeC o FeC o2V
Tipo P óE leP ré
M at. R ef. – 2,23T
Material
1,1
1,3
1,5
1,7
1,9
2,1
Indu
ção
Sat
uraç
ão (
T)
FeCo FeCoV
Tipo PóElePré
Mat. Ref. – 2,24T
0,05 Hz 17 Hz
Figura 5.38 - Indução de saturação das amostras processadas na rota ETO+FM.
III. Coercividade das amostras processadas via ETO+FM
Os resultados apresentados na Figura 5.39, obtidos na freqüência de 0,05 Hz, mostram
que o tamanho de grão e porosidade possuem influência na coercividade, porém com o
aumento da freqüência essas características microestruturais são menos importantes do que a
resistividade das ligas de FeCo2V. A maior resistividade da liga FeCo, processada com pós
pré-ligados, proporcionou menor coercividade na freqüência de 17 Hz. O menor valor foi
alcançado pela liga de FeCo2V produzida com pós elementares.
Material
170
200
230
260
290
320
350
Coe
rciv
idad
e (A
/m)
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Mat. Ref. – 85A/m
Material
1600
1800
2000
2200
2400
Coe
rciv
idad
e (A
/m)
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Mat. Ref. – 955A/m
0,05 Hz 17 Hz
Figura 5.39 - Coercividade das amostras processadas na rota ETO+FM.
IV. Perdas magnéticas das amostras processadas via ETO+FM
Estão apresentados na Figura 5.40 os resultados das perdas magnéticas. Na freqüência
de 0,05 Hz o menor valor foi obtido para a liga de FeCo2V processada com pós elementares.
Com o aumento da freqüência há um aumento substancial das perdas, e a liga que passa a
possuir o menor valor, é a liga de FeCo2V processada com os pós pré-ligados, devido ao baixo
percentual de vanádio na liga obtida com pós elementares.
76
Material
910
1010
1110
1210
1310
1410
1510
Per
das
(J/m
³)
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Mat. Ref. – 375J/m³
Material
7
9
11
13
15
17(X 1000,0)
Per
das
(J/m
³)
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Mat. Ref. – 8678J/m³
0,05 Hz 17 Hz
Figura 5.40 – Perdas magnéticas das amostras processadas na rota ETO+FM.
As propriedades das ligas de FeCo2V foram inferiores na rota ETO+FM em relação às
propriedades obtidas nas rotas ETP+FV. É necessário um estudo com pós de vanádio de
menor tamanho de partícula para produção da liga elementar. Também um estudo para
aumentar a densidade da liga processada com pós pré-ligados para obtenção de melhores
resultados. As ligas de FeCo foram menos afetadas na rota de processamento ETO+FM,
porém as propriedades foram inferiores às obtidas na rota ETP+FV, e conseqüentemente,
inferior à liga referência. Entretanto esse resultado não descarta o uso da rota ETO+FM para a
produção das ligas à base de FeCo, pois essa decisão deve ser feita levando em conta as
propriedades exigidas para cada aplicação e o custo para obter as mesmas. É importante
salientar, que a liga com elemento vanádio está sendo chamada de FeCo2V para facilitar a
comparação no texto, mas nesta rota o material elementar não alcançou os 2% de vanádio,
sendo que foi solubilizado apenas 0,38% na liga de FeCo.
5.4. Propriedades mecânicas
5.4.1. Rota de extração térmica com pré-sinterização e sinterização em forno a
vácuo
As propriedades obtidas com as ligas processadas na rota ETP+FV estão apresentados
na Tabela 5.13.
77
Tabela 5.13 – Propriedades mecânicas das ligas processadas pela rota ETP+FV.
Liga Tipo de pó Tensão escoamento (MPa)
Tensão máxima (MPa)
Deformação específica
121 202 0.023 pré-ligado 19 3 0.001 107 165 0.018
FeCo Elementar
12 11 0.004 242 478 0.082 pré-ligado 4 31 0.011
203 296 0.048 FeCo2V
Elementar 1 33 0.013
Para facilitar a discussão dos resultados são apresentados a seguir os resultados
separados por propriedades mecânicas analisadas.
I. Tensão máxima e de escoamento
Conforme os resultados apresentados na Figura 5.41, a liga de FeCo2V possui os
maiores valores de tensão de escoamento e tensão máxima, sendo a liga obtida com os pós
pré-ligados, a que apresentou o maior valor. A liga de FeCo alcançou aproximadamente a
metade dos valores obtidos com a liga de FeCo2V. A liga sem o vanádio não foi afetada pelo
tipo de pó utilizado.
Material
70
110
150
190
230
270
Ten
são
Esc
oam
ento
(M
pa)
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Material
0
100
200
300
400
500
600
Ten
são
máx
ima
(Mpa
)
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Tensão escoamento Tensão máxima
Figura 5.41 –Tensão máxima e de escoamento das amostras processadas na rota ETP+FV.
II. Deformação específica
Os resultados apresentados na Figura 5.42 mostram um comportamento que já era
esperado para a liga que contém o vanádio, já que a adição deste elemento tem justamente
essa função, de aumentar a capacidade de deformação da liga. O resultado mostra também
que, ao contrário da liga de FeCo, a liga com o vanádio, é afetada pela condição do pó. Os
78
valores de deformação específica estão apresentados apenas para mostrar que o vanádio
possui um efeito na liga mesmo quando processada via MPI, porém essa deformação
alcançada neste processo é muito pequena se comparada aos materiais fundidos que chegam
a apresentar um valor de deformação específica de 6.
Material
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1D
efor
maç
ão e
spec
ífica
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Figura 5.42 – Deformação específica das amostras processadas na rota ETP+FV.
5.4.1.1 Rota de extração térmica com pré-sinterização
As propriedades obtidas nas peças processadas na etapa de pré-sinterização estão
apresentadas na Tabela 5.14.
Tabela 5.14 – Propriedades mecânicas das ligas processadas pela rota ETP.
Liga Tipo de pó
Tensão escoamento (MPa)
Tensão maxima (MPa)
Deformação específica
43 60 0.010 pré-ligado 4 13 0.007
154 241 0.036 FeCo
Elementar 7 19 0.007
257 305 0.031 FeCo2V Elementar 6 39 0.011
A seguir está apresentada uma comparação dos resultados obtidos após pré-
sinterização e sinterização para as ligas processadas com os pós elementares.
I. Tensão máxima e tensão de escoamento
Conforme apresentado na Figura 5.43, a tensão de escoamento das ligas no estado
pré-sinterizado é maior do que no estado sinterizado. Os resultados de tensão máxima,
mostram que para a liga de FeCo, a tendência continua igual à apresentada na tensão de
escoamento, mas para a liga de FeCo2V os resultados se tornam iguais após a etapa pré-
79
sinterização e sinterização. Esse resultado deve ter sido causado devido ao menor tamanho de
grão na etapa de pré-sinterização.
Material
80
120
160
200
240
280
Ten
são
Esc
oam
ento
(M
Pa)
FeCo FeCo2V
ProcessamentoETPETP+FV
Material
130
170
210
250
290
330
370
Ten
são
Max
(M
Pa)
FeCo FeCo2V
ProcessamentoETPETP+FV
Tensão de escoamento Tensão máxima
Figura 5.43 – Tensão máxima e de escoamento de amostras no estado pré-sinterizado e sinterizado, na rota ETP+FV.
5.4.2. Rota de extração térmica com atmosfera oxidante e sinterização em forno
mufla
As propriedades obtidas com as ligas processadas na rota ETO+FM estão
apresentados na Tabela 5.15.
Tabela 5.15 – Propriedades mecânicas das ligas processadas pela rota ETO+FM.
Liga Tipo de pó
Tensão escoamento (MPa)
Tensão maxima (MPa)
Deformação específica
115 207 0.033 pré-ligado 9 12 0.003
128 211 0.031 FeCo
Elementar 4 7 0.002
216 257 0.048 pré-ligado 2 27 0.008
104 185 0.017 FeCo2V
Elementar 9 14 0.006
Comparando com a rota de processamento ETP+FV, às ligas sofreram um pequeno
acréscimo ou ficaram com as propriedades iguais, com exceção da liga de FeCo2V processada
com pós elementares que diminui pela metade a sua resistência mecânica, devido à baixa
solubilização do vanádio na liga. Para facilitar a discussão dos resultados estão apresentados a
seguir os resultados separados por propriedades mecânicas.
80
I. Tensão de escoamento e tensão máxima
A Figura 5.44 mostra que a tensão de escoamento da liga de FeCo não foi afetada pelo
tipo de pó utilizado, ao contrário da liga de FeCo2V que sofreu grande influência. Os maiores
valores foram obtidos para a liga de FeCo2V processada com pós pré-ligados. Esse resultado
é interessante, pois essa liga mesmo tendo uma alta porosidade apresentou valores altos de
resistência mecânica. Nos resultados de tensão máxima, obtidos para as ligas processadas na
rota ETO+FM, observa-se uma variação muito grande dos valores e não foi possível concluir
qual dos fatores afetou mais a propriedade da liga.
Material
90
120
150
180
210
240
Ten
são
Esc
oam
ento
(M
Pa)
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Material
160
180
200
220
240
260
Ten
são
Máx
ima
(MP
a)
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Tensão de escoamento Tensão máxima
Figura 5.44 –Tensão máxima e de escoamento de amostras submetidas à rota ETO+FM.
II. Deformação específica
A deformação também é muito pequena para as ligas processadas na rota ETO+FM e
apenas a liga de FeCo2V sofre influência pelo tipo de pó utilizado. Os valores obtidos para as
duas ligas foram muito próximos.
Material
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
Def
orm
ação
esp
ecífi
ca
FeCo FeCo2V
Tipo PóElePré
Figura 5.45 - Deformação específica obtida para as ligas processadas na rota ETO+FM.
81
6. Estudo de Caso: Processamento de ligas à base de FeCo via MPI para aplicação em válvulas magnéticas de motores a diesel.
6.1. A aplicação
As bombas de injeção têm a função de abastecer o motor a diesel com combustível,
gerar alta pressão para injeção, injetar combustível na dose certa, no transcurso certo e no
ponto certo de injeção. Para controlar a injeção do combustível algumas bombas utilizam a
válvula magnética. O sistema que utiliza a válvula magnética é conhecido como o sistema de
injeção controlado pelo tempo, pois depende do tempo de abertura da válvula magnética,
diferente de outros sistemas controlados por válvula de pressão. Esse sistema permite limitar a
emissão de gases nocivos, a propagação de ruídos e o consumo de combustível (Bosch CD-
ROM, 1999).
Cada cilindro do motor possui o seu sistema modular de injeção. Esses sistemas são
comandados por válvulas magnéticas que geram alta pressão através das bombas injetoras de
cilindro único. O acionamento das bombas de alta pressão é feito pelo eixo de comando do
motor que é composta de diversos sensores que medem o movimento do pedal, as pressões e
temperaturas do sistema, e a partir destes valores enviam sinais que irão comandar a válvula
magnética. A Figura 6.1 ilustra em detalhe a localização da peça de FeCo2V na válvula
magnética.
Figura 6.1 – Localização da peça de FeCo2V na bomba de injeção (Bosch CD-ROM, 1999).
82
O número 1 na figura indica a placa compactada e sinterizada em inox 316, a qual serve
de alojamento para a placa magnética de FeCo2V, indicada pelo número 3. O número 2 indica
os o'rings de vedação entre a placa de inox e a placa magnética para evitar a passagem de
diesel nesta região. A peça de FeCo2V tem como função abrir e fechar a passagem do diesel a
ser injetado na câmara de combustão do motor, funcionando como uma armadura, permitindo
ou não a passagem de combustível. Um sinal de corrente continua pulsante aplicado ao
solenóide faz com que a armadura oscile para frente e para traz, resultando na injeção de
combustível para dentro do cilindro. Nesta oscilação o componente trabalha com uma
freqüência de 17 ciclos por segundo, suportando uma pressão do combustível muito alta. A
pressão do sistema é de cerca de 1400 bar. Por este motivo, este componente necessita ser
fabricado em material que possua característica ferromagnética mole e resistência mecânica
adequada. Esta liga de FeCo2V é específica da pela empresa fabricante da válvula que exige
que o material alcance as especificações apresentadas a seguir:
Indução magnética acima de 1,9 T em campo 10000 A/m;
Coercividade abaixo de 400A/m;
Permeabilidade máxima relativa acima de 3000;
Resistividade elétrica acima de 0,42 micro Ohm metro
Dureza acima de 84HRb;
Densidade acima de 7,80g/cm³;
6.2. Materiais analisados
Conforme apresentado anteriormente na Tabela 4.1 do capítulo 5, os materiais
analisados foram as ligas de FeCo e FeCo2V, processadas com pós elementares e pré-
ligados, em duas rotas do processo de MPI, ETP+FV e ETO+FM. Atualmente, a liga é
fabricada com pós pré-ligados, na rota de processamento que utiliza extração térmica seguida
de pré-sinterização e sinterização em forno a vácuo, com resfriamento controlado
(ETP+FV+TTO) . A avaliação dos pós e das rotas de processamento foi realizada visando à
83
redução de custos, pois a rota que utiliza a extração com atmosfera oxidante (ETO+FM)
representa cerca de um terço do custo da rota ETP+FV. E os pós utilizados no processamento
também irão representar variações no custo das peças, conforme apresentado na Tabela 4.2.
6.3. Resultados obtidos
Os resultados apresentados no trabalho anteriormente serão comparados a seguir em
relação aos valores específica dos para o material na aplicação da válvula magnética. Apesar
de ocorrer variação das propriedades magnéticas de acordo com a freqüência elétrica utilizada,
não existe especificação de freqüência de análise pela empresa fabricante da válvula e a
empresa fabricante da peça utiliza para as análises a freqüência de 0,05 Hz. Portanto a seguir
serão apresentadas as propriedades obtidas nas peças processadas pelas duas rotas
analisadas com freqüência de 0,05 Hz.
6.3.1. Rota de extração térmica com pré-sinterização e sinterização em forno a
vácuo.
I. Densidade
Os resultados apresentados na Figura 6.2 mostram que as ligas elementares alcançam
a especificação de densidade. E a liga de FeCo2V processada com pós pré-ligados utilizada
atualmente na empresa para a fabricação da peça trabalha no limite da especificação e não
alcançou o valor exigido, assim como a liga de FeCo obtida com pó pré-ligado.
6.56.76.97.17.37.57.77.9
FeCo2VPré-ligado
FeCo2VElementar
Fe50CoPré-ligado
Fe50CoElementar
Den
sida
de (g
/cm
³)
Figura 6.2 - Densidade das amostras processadas na rota ETP+FV.
84
II. Indução magnética
Na rota ETP+FV as ligas elementares alcançaram o valor de indução específica do
conforme Figura 6.3, e mais uma vez é possível verificar que a liga utilizada atualmente fica no
limiar do valor especificado.
Figura 6.3 – Indução magnética das amostras processadas na rota ETP+FV.
III. Permeabilidade relativa
Os resultados de permeabilidade mostram que as ligas de FeCo e FeCo2V obtidas com
pós elementares não precisam de tratamento térmico de resfriamento para alcançar o
especificado de permeabilidade, ao contrário da liga utilizada atualmente para a fabricação da
peça, que não alcançou a exigência sem a aplicação do tratamento térmico de resfriamento.
Figura 6.4 – Permeabilidade das amostras processadas na rota ETP+FV.
IV. Coercividade
Todas as ligas apresentaram valores de coercividade dentro do especificado, conforme
Figura 6.5.
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
FeCo2V Pré-ligado
FeCo2VElementar
Fe50Co Pré-ligado
Fe50CoElementar
B (T
)
2000
30004000
5000
6000
FeCo2VPré-ligado
FeCo2VElementar
Fe50CoPré-ligado
Fe50CoElementar
µ re
lativ
a
85
Figura 6.5 – Coercividade das amostras processadas na rota ETP+FV.
V. Resistividade elétrica
Na rota ETP+FV, apenas as ligas de FeCo2V, alcançaram o valor de resistividade,
conforme mostra a Figura 6.6.
0.E+00
1.E-07
2.E-07
3.E-07
4.E-07
5.E-07
FeCo2VElementar
FeCo2VPré-ligado
Fe50CoPré-ligado
Fe50CoElementar
Res
istiv
idad
e (o
mh.
m)
Figura 6.6 – Resistividade das amostras processadas na rota ETP+FV.
VI. Dureza
Apenas duas ligas foram analisadas em relação à dureza, a liga de FeCo obtida com pó
elementar e a liga de FeCo2V obtida com pó pré-ligado. Os resultados mostram que as duas
alcançam o valor exigido. A liga de FeCo não teria problemas em relação à resistência
mecânica para essa aplicação. Nem todas as condições foram analisadas em termos de
dureza, mas pode ser feita uma correlação com as propriedades obtidas com o ensaio de
tração, apresentados no tópico 5.4.
100
150
200
250
300
350
400
FeCo2V Pré-ligado
FeCo2VElementar
Fe50Co Pré-ligado
Fe50CoElementar
Coe
rciv
idad
e (A
/m)
86
80
100
120
140
160
Fe50Co Elementar FeCo2V Pré-ligado
Dur
eza
(HR
b)
Figura 6.7 – Dureza das amostras processadas pela rota ETP+FV.
6.3.1.1 Rota de extração térmica com pré-sinterização
I. Densidade
Os resultados obtidos após a etapa de pré-sinterização estão apresentados na Figura
6.8, onde é possível observar que as ligas ainda não alcançam o valor especificado. Os
resultados para a liga de FeCo2V, processada com pós pré-ligados, não foram apresentados
pois nesta etapa a liga estava com uma fragilidade muito grande e não possuía resistência
mecânica para ser analisada.
Figura 6.8 – Densidade das amostras processadas na rota ETP.
II. Indução magnética
Conforme Figura 6.9, a liga de FeCo obtida com pós elementares já apresenta o valor
específica do de indução, após a etapa de pré-sinterização, e a liga de FeCo2V precisa
alcançar uma densidade maior para que atinja o valor especificado.
6.5
7
7.5
8
FeCo2VElementar
Fe50Co Pré-ligado
Fe50CoElementar
Den
sida
de (g
/cm
³)
87
1.01.21.41.61.82.02.2
FeCo2VElementar
Fe50CoPré-ligado
Fe50CoElementar
B (T
)
Figura 6.9 – Indução magnética das amostras processadas na rota ETP.
III. Permeabilidade
Conforme Figura 6.10, após a etapa de pré-sinterização todas as ligas analisadas
alcançaram o valor específica do de permeabilidade.
Figura 6.10 – Permeabilidade das amostras processadas na rota ETP.
IV. Coercividade
Após a etapa de pré-sinterização as ligas já apresentaram coercividade abaixo do
especificado, conforme Figura 6.11.
Figura 6.11 – Coercividade das amostras processadas na rota ETP.
2000
3000
4000
5000
6000
FeCo2VElementar
Fe50Co Pré-ligado
Fe50CoElementar
µ re
lativ
a
100
200
300
400
FeCo2VElementar
Fe50Co Pré-ligado
Fe50CoElementar
Coe
rciv
idad
e (A
/m)
88
V. Resistividade
As ligas produzidas na rota ETP alcançaram propriedades promissoras, porém
conforme apresentado na Figura 6.12, não foi alcançada a especificação.
0.E+00
1.E-07
2.E-07
3.E-07
4.E-07
5.E-07
Fe50CoElementar
Fe50Co Pré-ligado
FeCo2VElementar
Res
istiv
idad
e (o
mh.
m)
Figura 6.12 – Resistividade das amostras processadas na rota ETP.
6.3.2. Rota de extração térmica com oxidação e sinterização em forno mufla
I. Densidade
O resultado de densidade das ligas apresentados na Figura 6.13, mostram que é
necessário um estudo maior do ciclo de processamento visando um aumento da densidade, e
esse estudo tem uma justificativa econômica forte já que o custo do processo representa um
terço do valor do processo ETP+FV.
Figura 6.13 – Densidade das amostras processadas na rota ETO+FM.
6.56.76.97.17.37.57.77.9
FeCo2VPré-ligado
FeCo2VElementar
Fe50CoPré-ligado
Fe50CoElementar
Den
sida
de (g
/cm
³)
89
II. Indução magnética
Os resultados de indução magnética medidos nas peças processadas na rota ETO+FM
estão apresentados na Figura 6.14. A liga de FeCo alcança o valor especificado de 1,9T e é
provável que com um aumento da densidade da liga FeCo2V processada com pós elementares
pela rota ETO+FM as exigências do fabricante também serão alcançadas.
Figura 6.14 – Indução magnética das amostras processadas na rota ETO+FM.
III. Permeabilidade relativa
Na Figura 6.15 é possível verificar que a liga de FeCo2V, obtida a partir de pós pré-
ligados, não alcançou o valor especificado.
Figura 6.15 – Permeabilidade relativa das amostras processadas na rota ETO+FM.
IV. Coercividade
Os resultados apresentados na Figura 6.16 mostram que todas as ligas alcançam a
especificação de coercividade.
0
2000
4000
6000
8000
FeCo2V Pré-ligado
FeCo2VElementar
Fe50Co Pré-ligado
Fe50CoElementar
µ m
áx re
lativ
a
1.01.21.41.61.82.02.2
FeCo2VPré-ligado
FeCo2VElementar
Fe50CoPré-ligado
Fe50CoElementar
B (T
)
90
Figura 6.16 – Coercividade das amostras processadas na rota ETO+FM.
V. Resistividade elétrica
As amostras processadas na rota ETO+FM não alcançaram o valor específica do de
resistividade, conforme Figura 6.17.
0.E+00
1.E-07
2.E-07
3.E-07
4.E-07
5.E-07
FeCo2VPré-ligado
FeCo2VElementar
Fe50CoPré-ligado
Fe50CoElementar
Res
istiv
idad
e (o
mh.
m)
Figura 6.17 – Resistividade elétrica das amostras processadas na rota ETO+FM.
VI. Dureza
Conforme apresentado na Figura 6.18, as duas ligas analisadas apresentaram dureza
acima do especificado. Nem todas as condições foram analisadas em termos de dureza, mas
pode ser feita uma correlação com as propriedades obtidas com o ensaio de tração,
apresentados no tópico 5.4.
80100120140160
Fe50CoElementar
FeCo2V Pré-ligado
Dur
eza
(HR
b)
Figura 6.18 – Dureza das amostras processadas na rota ETO+FM.
100
200
300
400
FeCo2VPré-ligado
FeCo2VElementar
Fe50CoPré-ligado
Fe50CoElementar
Coe
rciv
idad
e (A
/m)
91
6.4. Conclusões do estudo de caso
Para a análise em termos técnicos e econômicos do processamento do material usado
na fabricação do componente da válvula de injeção foram usados pós elementares e pré-
ligados, uma variação de composição química e duas rotas de extração de ligantes e
sinterização.
A liga sem e com o elemento vanádio foi avaliada para verificar a influência desse
elemento no processamento via MPI e, os resultados confirmaram que, apesar de ser menor, a
resistência mecânica da liga de FeCo foi suficiente para alcançar a especificação.
Outro fator analisado foi o uso de pós elementares. A idéia de utilizar esses pós foi
puramente técnica visando criar um gradiente químico que aumentaria a densificação do
material na etapa de sinterização. Mas quando realizada uma análise de custos para produção
das peças com os pós pré-ligados e elementares, o resultado mostrou que o uso de pós
elementares para produção da liga de FeCo representaria uma redução de custo na ordem de
50% em relação aos pós pré-ligados de FeCo e FeCo2V. Os resultados mostram que a liga de
FeCo2V processada com os pós elementares, apresenta resultados promissores para redução
de custos de processamento. Há indícios de que, com uma otimização da etapa de pré-
sinterização, a liga poderia alcançar as exigências para a aplicação, resultando na exclusão de
uma etapa do processamento. Para tanto seria necessário um estudo para aperfeiçoar o ciclo
ETP e avaliar o impacto que representaria o aumento do custo da peça devido ao uso do pó de
vanádio elementar. Uma alternativa para contornar o alto custo do pós de vanádio seria utilizar
o pó de FeV pré-ligado que possui um custo 10 vezes menor, representando uma redução de
30% em relação ao pó pré-ligado. Na rota ETO+FM seria necessário também um estudo para
aumento da densidade e também da solubilização do elemento vanádio na liga para atingir as
especificações.
A liga de FeCo, obtida com pós elementares, alcançou os melhores resultados nas duas
rotas analisadas, com exceção da resistividade elétrica. Seria interessante a realização de
testes na bomba de injeção com as peças de FeCo e FeCo2V para avaliar se o rendimento da
92
liga sem o vanádio seria muito inferior, pois o uso da liga de FeCo representa uma redução de
50% no custo do pó e 30% no custo do processamento, se utilizada à rota ETO+FM.
Representaria também uma redução de custos se fosse otimizada a rota ETP e excluída a rota
de sinterização em forno a vácuo. Porém ainda não existe uma avaliação de quanto essa
exclusão representaria nos custos de processamento.
O estudo de caso chegou até a etapa de avaliação dos materiais, porém não foram
realizados testes com as peças, pois para executar a análise do material na bomba seria
necessária a produção de um novo molde já que os materiais avaliados possuíam diferença de
contração. Neste estudo de caso foram analisados o processo e as propriedades decorrentes.
A análise faltante seria de verificar o desempenho dessas materiais na bomba de injeção.
93
7. Conclusões
Foi realizado um estudo analisando os métodos de processamento e as propriedades
decorrentes, de um material magnético mole, à base de FeCo, processado via MPI. Os
resultados obtidos em relação aos fatores analisados mostraram que a rota de processamento,
o tipo de pó e a presença do elemento vanádio possuem influência na maioria das
propriedades estudadas.
O uso dos pós elementares, criando um gradiente químico de composição, apresentou
varias vantagens em relação aos pós pré-ligados. Principalmente em termos econômicos, visto
que com otimização do ciclo ETP é possível que haja a exclusão da etapa de sinterização em
forno a vácuo para as ligas de FeCo e FeCo2V.
A liga de FeCo2V processada com pós elementares, apresentou os melhores
resultados de propriedades magnéticas na freqüência de 17Hz, com exceção da indução de
saturação. Porém o uso do vanádio é limitado ao processamento na rota de maior custo, além
de apresentar um decréscimo nas propriedades na freqüência de 0,05Hz.
O uso da liga de FeCo, obtida com pós elementares, permite o processamento nas
duas rotas analisadas. Portanto representa uma vantagem econômica de processamento em
relação à liga com vanádio, apesar de apresentar menor resistividade elétrica.
Com o uso da técnica de moldagem de pós por injeção foi possível obter amostras de
FeCo, sem a presença do elemento vanádio, abrindo a possibilidade de fabricação de peças de
pequeno porte e geometria complexa também com a liga sem vanádio.
94
Com tratamento térmico de resfriamento adequado, ligas processadas via moldagem de
pós por injeção podem até mesmo ultrapassar algumas propriedades magnéticas da liga
referência e com as vantagens de obtenção das peças na sua forma final, sem etapas de
conformação e usinagem.
O estudo mostrou que o entendimento do comportamento de cada material no
processamento é necessário no intuito de diminuir custos de produção e que é possível obter
diferentes propriedades, dependendo da definição da rota de processamento e dos materiais
utilizados.
Este trabalho teve inicio com uma motivação que visava uma aplicação em especial,
mas vários aspectos do processamento dessas ligas foram avaliados e os conhecimentos
obtidos podem ser estendidos a outras aplicações, e servirão para enriquecer a literatura
cientifica a respeito do processamento de ligas à base de Fe e Co na técnica de moldagem de
pós por injeção, visto que existem poucos dados de outros autores a respeito de peças à base
de Fe Co produzidas via MPI.
95
8. Sugestões de trabalhos futuros
São propostas as seguintes sugestões para trabalhos futuros:
-Verificar qual a faixa de temperatura de redução dos óxidos, principalmente da ligas
com o elemento vanádio, para aperfeiçoar o ciclo de redução e sinterização dos pós quando na
forma elementar ou na forma de liga. .
- Analisar as propriedades da liga de FeCo2V quando produzida com pós de FeV, Fe e
Co elementar na rota ETO+FM e na rota ETP, visando uma diminuição do custo de material e
processamento.
- Estudar outros elementos que poderiam substituir o vanádio nas ligas processadas via
MPI.
- Otimização do ciclo de extração seguido de pré-sinterização (ETP) para alcançar
maior densidade das ligas elementares, e para a liga de FeCo2V utilizar temperatura máxima
menor que a de transformação de fases.
- Realizar estudos para aumentar a densificação da liga de FeCo obtida com pó pré-
ligado.
- Verificar o grau de ordenamento de cada liga para correlacionar com as propriedades
obtidas.
- Analisar as propriedades mecânicas com e sem o tratamento térmico de resfriamento.
- Analisar o tipo de fratura de cada liga, se transgranular ou intergranular, e definir se
existe alguma associação das propriedades mecânicas com o ordenamento da liga.
- Produção da peça componente da válvula com outras ligas para analisar a eficiência
na bomba de injeção.
96
9. Referências
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99
10. Apêndice – Definições de algumas propriedades magnéticas
Um campo magnético é por definição uma variação na energia de um determinado
volume, ou mais precisamente, um gradiente de energia que produz uma força a qual pode ser
detectada pela aceleração de carga elétrica no campo, pela corrente em um condutor, pelo
torque em dipolos magnéticos ou pela reorientação de spins de elétrons em certos átomos
(JILES, 1991). O campo magnético será gerado pela movimentação de cargas elétricas, ou
pelo spin eletrônico. A intensidade de campo magnético H pode ser calculada no caso da
geração por uma corrente elétrica através da lei de Biot-Savart ou pela lei de Ampère (CULLIT,
1972). A unidade do campo magnético, no sistema internacional, é baseada no fato de que
este é produzido por um campo elétrico, quando aplicado uma corrente I (Ampere) em um
solenóide de comprimento L (metros), com N voltas e, portanto o campo magnético dentro do
solenóide será:
LNIH 10-1
Onde H é dado em A/m.
Quando um campo magnético é aplicado em um meio, haverá uma resposta do meio ao
campo. Esta resposta é chamada indução magnética “B” ou densidade de fluxo magnético.
Em alguns casos B será uma função linear de H, como por exemplo, no vácuo. No entanto este
comportamento não se repete para todos os materiais e dependerá do alinhamento dos dipolos
magnéticos. Para cada material, a interação entre seus átomos constituintes determina como
os dipolos magnéticos dos átomos estarão alinhados. A soma dos momentos individuais dos
átomos irá determinar o momento magnético de todo o material. Este pode ser expresso pela
razão entre o torque gerado em um dipolo magnético dividido pela indução magnética. Muitas
vezes é apresentado o valor de magnetização (M) e não o de indução magnética (B). A
magnetização M nada mais é do que o momento magnético dividido pelo volume do material e
é uma propriedade do material, a relação com a indução magnética é dada por:
10-2
100
Segundo Pierre Weiss (1929 apud SINNECKER, 2000), em sua teoria do campo
molecular, os materiais ferromagnéticos são magnetizados espontaneamente, ou seja, estão
em seu estado saturado mesmo na ausência de um campo externo, esses materiais formam
regiões chamadas de domínios magnéticos, separadas pelas paredes de domínios. As
paredes de domínios são interfaces entre regiões na qual a magnetização troca
espontaneamente de direção. Apesar de cada domínio estar magneticamente saturado em seu
campo molecular interno, o conjunto desses domínios no material possui orientação randômica
quando não há aplicação de um campo externo de tal forma a anular a magnetização
macroscópica. A orientação da magnetização em um dado domínio é determinada pela
estrutura cristalina. Com a aplicação de um campo magnético a primeira tendência é de
movimentação das paredes de domínio, de tal forma que fiquem o mais próximo da direção do
campo externo. Com o aumento do campo externo os domínios são forçados a rotacionar para
que fiquem alinhados com o campo, atingindo o máximo de fluxo magnético para um dado
material (LALL, 1992).
Uma forma de avaliar a resposta do material quando aplicado um campo externo é
através da curva de histerese. Para gerar uma curva de histerese, como apresentado na Figura
10.1, um material ferromagnético deve ser colocado na presença de um campo magnético H
(Ampere/metro) para que haja a rotação das paredes de domínio e alinhamento com o campo
aplicado, gerando no material um fluxo magnético B (Tesla).
Figura 10.1 – Curva de histerese ou laço BH
101
Como ilustrado na Figura 10.1, um material ferromagnético que não tenha sido
magnetizado, apresenta um estágio de aumento da magnetização, conhecida como curva de
magnetização inicial, apresentada no primeiro quadrante do gráfico, com uma linha que parte
da origem. Essa linha indica que até atingir o joelho da curva haverá o alinhamento e
crescimento dos domínios na direção de fácil magnetização com a movimentação das paredes
de domínio do material. A grandeza que mede esse alinhamento é chamada de permeabilidade
(µ) e será a razão entre a indução magnética (B) e o campo magnético aplicado (H), e portanto
a permeabilidade representará a facilidade com que um material permite estabelecer, através
dele, um fluxo magnético. Freqüentemente encontram-se valores da permeabilidade relativa,
que é a relação entre a permeabilidade do material e a permeabilidade do vácuo. Acima do
joelho da curva, com o aumento do campo haverá uma rotação dos domínios na direção do
campo externo aplicado e material estará saturado magneticamente, ou seja, esse é o máximo
fluxo magnético (Bs) gerado para aquele material. Com a diminuição do campo externo o
material tende a diminuir o fluxo magnético, mas não segue o mesmo caminho na curva que
quando magnetizado. Pois, as paredes de domínio e os domínios que não estavam
favoravelmente orientados irão retornar para a direção de fácil magnetização e mesmo com o
campo igual a zero o material continua com certa magnetização remanente (Br). Para que este
material volte a ser não magnetizado é necessário inverter o sentido do campo e aumentar até
certo valor. Este campo necessário para desmagnetizar o material é chamado de campo
coercivo (Hc). Se o campo invertido continuar a aumentar, mesmo após o fluxo ter atingido
zero o material passará a magnetizar-se com os domínios orientados da mesma forma que
antes, porém em sentido oposto.
A área interna da curva de histerese ou do laço BH, representa a dissipação de energia,
dentro dos materiais, cada vez que esses materiais são levados a percorrer o ciclo completo de
magnetização, ou seja, mostram a dificuldade que a força magnética (H) encontra em orientar
os domínios do material. Reflete, portanto o trabalho realizado por H para obter B. Essa perda
pode ser medida, e é dada em J/m³ ou W/kg. De acordo com Rasmussen (2005), os dois
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principais tipos de perdas magnéticas são: as perdas por histerese e perdas por corrente de
Foucault. As perdas por histerese resultam do fato de que uma parcela da energia que foi
empregada para magnetizar o material será perdida após a desmagnetização e não será
possível recuperá-la. São ocasionadas pela presença de imperfeições no material, tais como
partículas de fase não magnética, discordâncias, poros, entre outros. Estes defeitos tendem a
dificultar a movimentação das paredes dos domínios, dificultando a magnetização e
desmagnetização. As perdas por correntes de Foucault são correntes circulantes induzidas no
material em razão da variação da densidade de fluxo magnético e terão o efeito de diminuir o
fluxo magnético e gerar uma perda elétrica dissipada na forma de calor. Este efeito pode ser
minimizado pelo aumento da resistividade do material.
Referências utilizadas no apêndice
JILES, D.; Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, 2nd ed., New York, NY: Chapman & Hall, 1998. ISBN: 9780412798603.
CULLIT, B. D.; Introduction to Magnetic Materials, Addison-Wesley, 1972.
LALL, Charman, Soft magnetism: fundamentals for powder metallurgy and metal injection molding, Metal Powder Industries Federation, 1992 - New Jersey, USA.
WEISS, P., J. Phys., 6, 661 (1907). Apud SINNECKER, J. P., Materiais Magnéticos Doces e Materiais Ferromagnéticos Amorfos, Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 22, no. 3, Setembro, 2000.
RASMUSSEN, C. B., Iron Losses and Properties of Soft Magnetic Materials for Electrical Machines, I14 98 S 0087, Institution Inst. of Energy Technology, Aalborg University, Edited by Ewen Ritchie, 2005.
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